«Вихретоковый контроль качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов ...»

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

Коротеев Михаил Юрьевич

Вихретоковый контроль качества паяных соединений стержней

статорных обмоток турбогенераторов

Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

д.т.н., проф. Потапов Анатолий Иванович Санкт-Петербург – Оглавление Введение

Глава 1 Анализ современного состояния методов и средств контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов 1.1 Объект контроля, контролируемые параметры, мешающие параметры 1.2 Анализ современного состояния применяемых методов контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов 1.3 Анализ технических средств контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов

1.4 Постановка задачи исследования

Глава 2 Теоретическое обоснование применения вихретокового вида неразрушающего контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов

2.1 Взаимодействие электромагнитного поля с материалами токоведущих соединений

2.2 Выбор метода вихретокового контроля и обоснование выбора типа преобразователей

2.3 Выбор информативных параметров и принципов оптимизации характеристик преобразователей

2.4 Мешающие параметры и компенсация (уменьшение) их влияния......... 2.5 Алгоритм, реализующий способ подавления геометрических мешающих параметров взаимного расположения визретокового преобразователя и объекта контроля

2.6 Выводы по главе 2

Глава 3 Научно-методические принципы неразрушающего контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов 3.1 Метрологическое обеспечение средств контроля неразрушающего контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов

3.2 Требования к методике неразрушающего контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов

3.3 Требования к методике калибровке средства неразрушающего контроля качества паяныхсоединений стержней статорных обмоток турбогенераторов 3.4 Требования к контрольным образцам

3.4.1 Разработка контрольных образцов и расчет погрешности измерения, определяемой погрешностью изготовления контрольных образцов............... 3.4.2 Разработка методики калибровки контрольных образцов

3.4.3 Практическая реализация контрольных образцов

3.5 Разработка методики неразрушающего контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов

3.5.1 Процедура подготовки к использованию

3.5.2 Процедура калибровки средства неразрушающего контроля................. 3.5.3 Процедура проведения контроля паяного соединения

3.6 Определение критериев приемки

3.7 Выводы по главе 3

Глава 4 Разработка прибора контроля качества неразрушающего контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов 4.1 Структурная схема вихретокового дефектоскопа

4.2 Функциональная схема вихретокового дефектоскопа

4.3 Построение векторной диаграммы двухобмоточного абсолютного трансформаторного первичного измерительного вихретокового преобразователя

4.4 Детектирование сигнала двухобмоточного абсолютного трансформаторного первичного измерительного преобразователя................ 4.5 Разработка конструкции вихретокового преобразователя. Исходные требования к конструкции вихретокового преобразователя

4.6 Принципы оптимизации вихретоковых первичных измерительных преобразователей

4.7 Выводы по главе 4

Глава 5 Экспериментальные исследования характеристик прибора контроля качества паяных соединений

5.1 Экспериментальные исследования с целью определения характеристик прибора при наличии дефектов в различных частях объекта контроля ........ 5.2 Экспериментальные исследования с целью определения характеристик прибора при наличии различных мешающих параметров

5.3 Возможности развития и области применения результатов работы..... 5.3.1 Принципы оптимизации конструкциивихретокового преобразователя 5.3.2 Принципы оптимизации электронной схемы вихретокового преобразователя

5.4 Выводы по главе 5

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

На современном этапе развития промышленного производства получение электроэнергии средней и большой мощности невозможно без использования турбогенераторов. Особое внимание к качеству производства турбогенераторов уделяют на предприятиях, производящих оборудование для электростанций всех типов. Выход из строя турбогенератора может приводить не только к отключению от энергоснабжения потребителей и финансовым потерям, но и в некоторых случаях к выходу из строя дорогостоящего оборудования. Одной из составляющих турбогенератора является статор, обмотка которого состоит из стержней, имеющих паяные соединения. Ухудшение электрического контакта в соединении, относительно нормируемого, в соединении стержней статора, приводит к существенному увеличению его сопротивления. Это ведет к локальному увеличению плотности тока, что в свою очередь приводит к существенному увеличению температуры контакта и выходу его из строя. Для предотвращения подобных ситуаций проводят контроль паяных соединений как в процессе производства турбогенератора, так и во время плановых ремонтов. Наиболее перспективными и широко применяемыми методами контроля качества паяных соединений, безусловно, являются вихретоковые методы. К достоинствам вихретокового вида контроля следует отнести отсутствие необходимости обеспечения контакта преобразователя с поверхностью объекта контроля, высокая производительность, нечувствительность к таким параметрам окружающей среды, как влажность, давление, загрязненность, и др. Однако в реальных условиях проведения контроля присутствуют мешающие параметры, которые снижают достоверность контроля. Целью работы является повышение производительности и достоверности контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов путем применения вихретокового вида НК.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— провести анализ современного состояния методов и приборов неразрушающего контроля (НК) паяных соединений турбогенераторов;

— провести теоретическое обоснование применимости методов вихретокового вида НК для решения рассматриваемых задач и проведение анализа контролируемых и мешающих параметров;

— разработать модели вихретокового первичного измерительного преобразователя и объекта контроля (ОК) с дефектами, имитирующими реальные;

— разработать способ выделения информативного параметра сигнала вихретокового преобразователя (ВТП) на фоне влияния мешающих параметров, позволяющего измерять степень пропаянности паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов;

— изготовить и испытать разработанные средства НК паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов;

— внедрить результаты работы на промышленном предприятии.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

— разработана совокупность средств неразрушающего контроля, предназначенная для оценки качества паянных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов;

— разработан алгоритм обработки сигнала первичного измерительного преобразователя на фоне воздействия мешающих параметров при проведении контроля качества паяных соединений вихретоковым видом НК;

— разработаны контрольные образцы паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов;

— обеспечено серийное производство вихретоковых средств НК паяных соединений.

Научная новизна работы:

преобразователя и ОК с дефектами, имитирующими реальные, позволяющая рассчитать чувствительность, а также оценить влияние основных мешающих параметров и погрешность измерения при контроле паяных соединений;

— разработан способ контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток электрических машин, отличающийся от известных тем, преобразователя (ВТП) используется его амплитуда, вычисленная относительно точки на комплексной плоскости, координаты которой определяются установленной закономерностью, обеспечивающей измерение степени пропаянности с заданной погрешностью в заданных диапазонах девиации мешающих параметров;

расположения дефекта пайки внутри паяного соединения на достоверность НК паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов, выявлена закономерность замкнутости соответствующего годографа, доказана возможность применения вихретокового первичного измерительного преобразователя при любых изменениях расположения дефекта пайки внутри ОК;

статорных обмоток турбогенератора с применением ВТП экранного типа, использующая в качестве контрольных образцов изделия рассчитанной формы, не содержащие элементарных проводников.

актуальность, сформулирована идея диссертационной работы, на основании которой поставлены цель и основные задачи исследования, а также определены научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В главе 1 проведен анализ характеристик и параметров ОК и характерных дефектов, возникающих при производстве и эксплуатации турбогенераторов.

Проведен обзор и анализ современного состояния видов и методов контроля качества паяных соединений. Рассмотрены контролируемые и мешающие параметры в случае применения различных видов и методов НК. Произведен анализ технических средств НК вихретоковыми методами контроля.

Сформулированы задачи исследования.

В главе 2 проведен анализ взаимодействия магнитного поля ВТП и ОК, обоснован выбор метода вихретокового контроля (ВТК), обоснован выбор экранного первичного измерительного преобразователя, содержащего экранированные обмотки, предложены расчетно-теоретические аналитическая и конечно-элементная модели взаимодействия вихретокового первичного измерительного преобразователя с ОК. Определен перечень и диапазон девиации мешающих параметров, характерных для контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов, а также степень их влияния на результаты контроля. Выбран информативный параметр сигнала ВТП, предложен алгоритм обработки сигнала ВТП, обеспечивающий измерение степени пропаянности в широком диапазоне девиации мешающих параметров.

В главе 3предъявлены требования к метрологическому обеспечению турбогенераторов, предложена конструкция и технология изготовления контрольных образцов, разработана методика контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов.

В главе 4предложен способ реализации вторичного преобразователя, позволяющего выделить требуемый информативный параметр сигнала первичного преобразователя, позволяющий добиться требуемой погрешности измерения степени пропаянности ОК.

В главе 5 представлены результаты экспериментальных исследований разработанного ВТП на контрольных образцах, приведены перспективы развития и области применения результатов работы.

В заключении представлены обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.

Научные положения выносимые на защиту:

измерительного преобразователя, содержащего экранированные обмотки, и объект контроля, которая учитывает влияние контролируемого и мешающих параметров, позволяет рассчитать чувствительность и достигаемую погрешность измерения монолитности паяного соединения, а также определить условие исключения недобраковки при заданном браковочном уровне;

— установлена закономерность местоположения точки на комплексной плоскости, относительно которой вычисляется амплитуда сигнала вихретокового экранного преобразователя, обеспечивающая подавление мешающих параметров и обеспечение измерения степени пропаянности с рассчитанной погрешностью в заданных диапазонах девиации мешающих параметров;

— разработаны методика калибровки, контрольный образец со степенью монолитности 0 % в виде хомута без элементарных проводников и контрольный образец со степенью монолитности 100 % в виде цельного медного образца рассчитанной формы, обеспечивающие заданную погрешность измерения.

Глава 1 Анализ современного состояния методов и средств контроля качества паяных соединений стержней статорных 1.1 Объект контроля, контролируемые параметры, мешающие параметры Статор турбогенератора состоит из следующих частей:

1) Корпус;

2) Наружные (торцевые) щиты;

воздухоохладители);

4) Сердечник с обмоткой в пазах;

6) Противопожарный трубопровод (у турбогенераторов с воздушным Статорная обмотка турбогенератора состоит из двух слоев петлей обмотки.

Слои состоят из стержней, каждый из которых состоит из нескольких параллельных столбиков элементарных проводников. Обмотки могут иметь разные способы охлаждения. Обмотки с косвенным охлаждением изготавливают из сплошных проводников марки ПДА и ПДС, соответственно с асбестовой или стеклянной изоляцией. В случае применения стержней обмоток с непосредственным охлаждением сплошные проводники чередуют с полыми проводниками, изготовленными из меди или изолированными трубками из нержавеющей стали [31].

Соединение проводников стержней статорной обмотки производится в лобовых частях турбогенератора [6]. На рисунке 1.1 изображен внешний вид лобовой части турбогенератора с соединениями стержней статорной обмотки.

Рисунок 1.1 – Соединения стержней статора турбогенератора при сборке Все проводники спаиваются вместе и зажимаются хомутом как показано на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Стержни обмотки статора турбогенератора с хомутами Наибольшее распространение при производстве и ремонте обмоток статоров получили электропайка и газопламенная пайка [41].

Электропайкаприменяется для соединения головок стержней турбогенераторов серии ТВВ. В качестве припоя используется мягкий припой [53] марки ПОС- [56].Газопламенная пайка применяется для присоединения головок стержней, штуцеров с наконечниками стержней, выводных и соединительных шин к выводным стержням (турбогенераторы серии ТГВ). Для этих соединений применяются твердые припои.

Пайка головок стержней турбогенераторов Т2, ТВ, ТВФ мощностью до 120 МВт включительно производится газопламенной пайкой или электропайкой угольными электродами [50, 51, 69]. Используетсяприпой ПСр-15 с применением раствора буры [54]. Растворприготавливают, добавляя постепенно буры в кипящую воду, размешивая его до полного растворения.

На рисунке 1.3, (а) указано соединение головок стержней 1 при помощи хомута 2; в сечении А-А виден зазор между слоями элементарных проводников, в который подается припой во время пайки. Такое соединение встречается на некоторых турбогенераторах мощностью менее 100 МВт.

Головку стягивают струбциной. Концы стыков опиливают и подгоняют, после чего устанавливают хомутик. В стыках проводников допускается местный зазор не более 2 мм. Хомутик головки обжимают и лобовые части стержня в местах сгиба головки раздвигают в обе стороны, чтобы припой зашел во внутреннюю масть головки. Во избежание повреждения изоляции стержней пламенем газовой горелки головку покрывают мокрым асбестом, а изоляцию – стеклополотном [32].

Соединение стержней с наконечниками, применяемое в серийном турбогенераторе ТВФ-100-2, показано на рисунке 1.3, (б). Наконечники 3, соединяют до пайки болтом 5 и пропаивают припоем ПСр-15.

1 –головка стержня;

2 – хомутик;

3, 4 – спаиваемые полуголовки;

Рисунок 1.3 – Узлы соединений статорной обмотки:а–соединение головок при помощи хомутика; б – соединение головок стержней, оснащенных Соединение головок стержней обмотки статора турбогенераторов серии ГВВ делается по другой технологии [31]. Для пайки головок стержней с водяным охлаждением применяется электропайка угольными электродами по описанной ниже технологии.

Перед пайкой хвостовики наконечников головок, клинья и хомутих лудят, их поверхности обезжиривают чистой салфеткой, смоченной в бензине Б-70.

Перед сборкой головки места панки смачивают флюсом КЭ. На головке устанавливают хомутик с отверстием для подачи припоя в крайнее верхнее положение. В хомутик забивают (не до конца) медные клинья и обжимают его специальным приспособлением.

После обжатия встречные медные клинья окончательно забивают; при этом приспособления для обжатия не снимаются. Иногда торцы контактных приливов наконечников стержней не совпадают и в хомутиках образуются пустоты, заполняемые медными лужеными вставками.

Подачу припоя ПОС-40 [56] начинают, заполняя внутреннюю часть головки через технологическое отверстие в хомутике до появления припоя на его периферии. Затем припой подают во все замеченные не пропаянные места до заполнения им всех зазоров и отверстия в хомутике. Прожоги хомутика от электрода не допускаются. После излишки припоя и наплывов зачищают.

Все загрязнения и углубления на поверхности паек проверяют тонкой проволокой, определяя, является ли этот дефект наружным или отверстие проходит через всю пайку. Рекомендуется разрубить две-три пайки и проверить их монолитность, отсутствие пережогов и плотность прилегания хомутика к наконечникам. Возможные причины плохой пайки:

— плотная пригонка головки (зазор менее 0,1 мм), препятствующая затеканию припоя;

— загрязнение стыкующихся поверхностей шва;

— недостаточный прогрев места спая и быстрое затвердевание припоя;

— неудачное расположение технологического отверстия в хомутике, что препятствует затеканию припоя: следует изменить расположение отверстия в хомутике.

В приведенном выше описании соединения головок стержней по возможности было опущено указание применения изоляционных материалов.

Однако необходимо понимать, что они присутствуют при окончательной сборке обмотки. При проведении планового ремонта турбогенератора перед проведением контроля паяных соединений необходимо снимать изоляцию, если применяемая методика контроля этого требует.

Кроме особенностей соединения головок стержней необходимо рассмотреть соединение элементарных проводников стержней обмоток турбогенераторов в головках, т.к. оба этих типа соединений являются составными частями рассматриваемого нами паяного соединения.

У турбогенераторов серии ТГВ соединение элементарных проводников стержней в головках выполняется газопламенной пайкой. Для обеспечения номинальных размеров запаянной головки витки стягивают по сухарюструбцины до размеров 77 мм (ТГВ-200) и 70 мм (ТГВ-300) и по вентиляционным трубкам до размеров, соответственно, 254 и 275 мм.

Превышение указанных размеров не позволит надеть на головку изолирующий резиновый колпак. При пайке проводников выводных шин турбогенераторов ТГВ-200 устанавливают гильзу, которую запаивают припоем ПСр-25. Качество пайки здесь контролируется через отверстие в гильзе.

Для соединения головок стержней турбогенераторов мощностью до МВт включительно ремонтные предприятия широко применяют циркониевый припой марки ПМФОЦр 6-4-0,03 ТУ-48-21-503-79 [57]. Пайка производится с помощью хомутика из отожженной меди по следующей технологии (упрощенное описание) [31].

Головку стягивают струбциной. После опиловки и подгонки концов стыков устанавливают хомутик, отгибая вверх его крышку(Рисунок1.4).

а – высота неизолированной меди;

б– ширина неизолированной меди.

Укороченные проводники, не доходящие до хомутика, подпаивают припоем ПСр-45 к соседним проводникам. Число таких проводников не должно превышать 10% их общего количества во избежание ухудшенияпроводимости головки. Головки нагревают горелкой типа Г-3, перемещая все время ее пламя для равномерного нагрева стыка.

Место стыка головок стержней прогревают до температуры 550 °С (до светло-вишневогоцвета), после чего пламя убирают и стык посыпают флюсом марки ПВ 209. Затем продолжают нагрев до температуры 720-750 °С, при которой жидкий флюс полностью обволакивает поверхности стыка. Пламя убирают, место пайки промазывают палочкой припоя, который, растекаясь, заполняет зазоры. После проверки заполнения стыка хомутик подогревают и загибают, затем обжимают его кузнечными клещами. После загибкии обжима хомутик пропаивают по периметру.

монолитность паяного соединения. Минимально допустимая величина монолитности определяется в [47] и зависит от метода контроля.

К мешающим параметрам следует отнести следующие:

— грубая поверхность контроля и наличие загрязнений;

— различные геометрические размеры паяных соединений, в зависимости от типа турбогенератора;

— наличие близко находящихся друг от друга паяных соединений;

— сложность структуры объекта контроля, из-за которой возможно маскирование дефектов;

— важность расположения дефекта внутри пропаянного соединения для принятия решения о пригодности соединения;

— разнородность материалов, составляющих паяное соединение;

ориентированных в пространстве относительно геометрии паяного соединения.

1.2 Анализ современного состояния применяемых методов контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов Для определения состояния качества паяных соединений возможно применение как разрушающего, так и неразрушающего (НК) контроля.

рекомендуется разрубить две-три пайки и проверить их качество. Очевидно, что этот метод приводит к серьезным материальным потерям. Он недопустим при ремонте оборудования и возможен только при его производстве в момент отладки технологии пайки.

Целесообразнее применять неразрушающие методы контроля. Анализ современного состояния методов НК начнем с рассмотрения возможности применения всех видов контроля в соответствии с [ГОСТ 18353], это:

проникающими веществами.

Рассмотрим каждый вид по отдельности.

Магнитный вид контроля не применим из-за того, что все применяемые в паяных соединениях материалы не магнитные (медь, различные типы припев).

Радиоволновый вид контроля не применим из-за невозможности прохождения радиоволн внутрь объекта контроля для обнаружения непропая.

Контроль проникающими веществами также не применим из-за невозможности проникновения внутрь паяного соединения соответствующих веществ.

Радиационный вид контроля можно применить с технической точки зрения. Чаще всего рассматривается возможность применения рентгеновского контроля. Распространенность рентгеновского оборудования облегчает задачу контроля, однако, данный вид контроля не получил широкого распространения для контроля паяных соединений обмоток статоров турбогенераторов по следующим причинам. Первой причиной является громоздкость оборудования и невозможность расположить его непосредственно вокруг паяного соединения. Второй причиной является невозможность обнаружения тонких обширных по площади не пропаянных зон. Причем их не возможно обнаружить под любым углом расположения рентгеновской аппаратуры, а такие зоны в некоторых случаях очень опасны и пропуск таких дефектов не допустим.

Оптический вид контроля применим только в варианте визуальнооптическом. В [31]рекомендовано проводить следующие операции: все загрязнения и углубления на поверхности паек проверяют тонкой проволокой, определяя, является ли этот дефект наружным или отверстие проходит через всю пайку.

Тепловой вид контроля применяют в следующем варианте [31]. Для проверки нагрева паек через обмотку пропускают постоянный ток в течение 10мин, контролируя температуру паек термопарами или (и) тепловизионными приборами. Плотность тока выбирают в пределах 80-100 % номинального значения. Качественные пайки нагреваются практически одинаково.

Температура плохо пропаянного соединения превышает среднюю температуру качественных паек не менее, чем на 4-5 °С. Для выявления дефектных паек можно использовать термокраски с температурой срабатывания (изменения цвета) в диапазоне от 45 до 50 °С. Эти методы контроля применяются на практике, однако, они вызывают существенные затруднения при контроле турбогенераторов большой мощности, т.к. через обмотки требуется пропускать слишком большие токи, а при уменьшении этих токов не хватает чувствительности измерительной аппаратуры.

Электрический вид контроля применяется по следующей методике.

Сравнение измеренных сопротивлений обмотки постоянному току, выявление фаз и параллельных ветвей с повышенными сопротивления позволяет обнаружить значительные дефекты: обрывы параллельных ветвей или элементарных проводников, неполную пайку отдельных элементарных проводников, наличие значительных пустот под хомутом [73]. Местный сосредоточенный дефект пайки на участке минимальной длины обычно не отражается на величине сопротивления постоянному току. Для выявления дефектов необходимо разизолировать пайку, разделяющую фазу обмоткина две равные половины, пропустить по обмотке постоянный ток (не превышающий 20% номинального тока обмотки), вольтметром при неизменном токе измерить падение напряжения на обеих половинах. С дефектной половиной фазной группы (с большим значением сопротивления) поступают аналогично до нахождения стержня с дефектной пайкой. Если участок разделяют на две неравные части, то при отсутствии дефектов в паяных соединениях сопротивление их должно быть пропорционально количеству стержней в частях. После обнаружения дефектной пайки осмотром проверяют количество припайки отдельных проводников стержней, измеряя падение напряжения (Рисунок1.5) между отдельными проводниками (1) и хомутом пайки (2) непосредственно у места соединения.

1 – проводники;

3 – милливольтметр.

Рисунок 1.5 – Проверка припайки элементарных проводников Если элементарный проводник не припаян, показания милливольтметра (3) близки к значению падения напряжения на стержне; если проводник припаян, показания милливольтметра близки к нулю.

Акустический вид контроля [58] рекомендован для применения как справочниками по ремонту [31], так и руководящими документами по испытаниям электрооборудования [47]. Указывается необходимость проведения ультразвукового контроля только полностью спаянного соединения. При пайке каждой пары элементарных проводников в отдельности необходимо проводить только визуальный осмотр. Для ультразвукового контроля введено понятие монолитности паяного соединения. Монолитность – это степень пропаянности соединения, выраженная в процентах. За 100 % монолитности принимают монолитность специально изготавливаемых эталонов. Это могут быть специально изготовленные соединения, качество пайки которых гарантируется. Нормируется среднее значение монолитности четырех или шести измерений, которое должно быть не менее 15 % монолитности эталона при использовании оловянистого припоя и не менее % при использовании серебряного припоя. В то же время ни одно значение монолитности эталона при использовании оловянистого припоя и 15 % при использовании твердого припоя.

Ультразвуковой контроль достаточно хорошо развит и применяется во всех отраслях промышленности. Существует несколько методов ультразвукового контроля, но в рассматриваемом нами случае используется метод прошедшего излучения [52].При отсутствии дефекта на пути ультразвуковых колебаний (Рисунок1.6) некоторая их часть отражается от нижнего края прозвучиваемого соединения и рассеивается, а остальная часть попадает в приемный преобразователь.

1 – генератор с излучателем;

2 – контактная жидкость;

3 – объект контроля;

4 – приемник и измеритель амплитуды.

Рисунок 1.6 – Схема прозвучивания паянного соединения при отсутствии В случае наличия дефекта пайки (Рисунок1.7) еще одна часть проходящих к приемному преобразователю колебаний рассеивается на нем.

1 – генератор с излучателем;

2 – контактная жидкость;

3 – объект контроля;

4 – приемник и измеритель амплитуды;

Рисунок 1.7 – Схема прозвучивания паянного соединения при наличии дефекта Количество энергии ультразвуковых колебаний становится меньшим по сравнению с предыдущим рассмотренным вариантом, принимаемым за эталонный.

Изделия из меди являются сложными для ультразвукового контроля объектами. Из-за сильного затухания ультразвуковых волн в меди для контроля не применяют частоты выше 1 МГц. Более низкие частоты часто неудобно использовать из-за низкой разрешающей способности, связанной с увеличением длины волны ультразвуковых колебаний. Структура паяных соединений такова, что большая часть энергии ультразвуковая волна отражается от первого перехода хомут-припой. Дальнейшее прохождение ультразвуковой волны через множественные переходы медь-припой и припоймедь, находящиеся на границе контакта элементарных стержней и припоя, приводят к сильному рассеиванию ультразвука. Из-за малого количества энергии ультразвуковой волны, доходящей до противоположного края ОК чувствительность данного метода мала, что вызывает трудности при проведении контроля.

Существуют также сложности и неоднозначности, возникающие при проведении контроля, связанные с характером распространения ультразвуковых колебаний и особенностями конструкции паяных соединений.

На рисунке 1.8 изображен эскиз одного из типов соединений стержней.

1 – элементарные проводники стержня;

Рисунок 1.8 – Эскиз (в разрезе) хомута со вставленными в него с двух сторон Элементарные проводники стержней очищаются от изоляции на величину половины длины хомута, вставляются в охватывающий и фиксирующий их медный хомут с двух сторон. Каких-либо специальных мер для обеспечения плотного контакта между элементарными проводниками не предпринимается.

Оставшиеся внутри хомута пустоты заполняются припоем. В случае полного заполнения пустот припоем все зачищенные поверхности элементарных проводников покрыты припоем и соединены им как между собой, так и с хомутом (Рисунок1.9).

1 – элементарные проводники стержня;

Рисунок 1.9 – Эскиз соединения при полном заполнении пустот припоем Возможны как не опасные варианты неполного заполнения пустот, так и опасные. К неопасным относится, например, случай непропая пространства между элементарными проводниками на входе в хомут (Рисунок 1.10). Токи протекающие через соединение при этом не перераспределяются, локальных перегревов внутри соединения не возникает.

1 – элементарные проводники стержня;

Рисунок 1.10 – Эскиз соединения при не полном заполнении пустот припоем.

В случае, когда припой заполняет все пустоты, но не протекает в область между торцами элементарных проводников происходит существенное перераспределение токов (Рисунок1.11).

1 – элементарные проводники стержня;

Рисунок 1.11 – Эскиз соединения при не полном заполнении пустот припоем.

Токи из элементарных проводников объединяются и протекают через часть хомута. По горизонтально распределенному припою ток тоже протекает, но он пренебрежимо мал в силу чрезвычайно малого поперечного сечения зон соприкосновения элементарных проводников друг с другом и с хомутом.

Хомут обычно изготавливается из медного листа, толщиной около трех миллиметров. Сечение участка хомута, где протекает ток многократно меньше суммарного сечения элементарных проводников, в результате чего плотность протекающего по нему тока такова, что вызывает сильный перегрев соединения, приводящий к выходу его из строя.

Как было указано выше, нормативные документы предписывают произвести от четырех до шести измерений указанным способом. Необходимо учитывать, что элементарные проводники стержней вставляют в хомут с разных сторон до упора для уменьшения толщины слоя между торцами элементарных проводников. Это позволяет минимизировать электрическое сопротивление припоя, удельная электропроводность которого существенно меньше удельной электропроводности электротехнической меди марки М1Е [48, 49, 60, 65]. Таким образом дефекты представляют собой плоские воздушные образования толщиной 0,1-0,2 мм, расположенные продольно относительно направления распространения ультразвуковой волны. Такие дефекты являются практически не обнаруживаемыми. Использование наклонных преобразователей для обнаружения дефектов такого типа не представляется возможным из-за многослойности структуры паяного соединения с частыми зонами раздела сред с различными акустическими импедансами.

Вихретоковый вид контроля описывается следующими документами:

— ГОСТ 24289-80 Контроль неразрушающий вихретоковый, термины и определения [59], — ГОСТ Р ИСО 12718-2009 Контроль неразрушающий. Контроль вихретоковый Термины и определения [67], — ГОСТ Р ИСО 15549-2009 Контроль неразрушающий. Контроль вихретоковый. Основные положения [68].

Суть вихретокового метода заключается в анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля индуцированным вихретоковым преобразователем с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в объекте контроля этим полем.

Если вихретоковый преобразователь установлен на бездефектное соединение – вихревые токи протекают в объеме ОК без искажений, приближенно повторяя контур обмотки преобразователя. Если вихретоковый преобразователь установлен на соединение с дефектом – вихревые токи стремятся обогнуть дефект, вследствие чего искажается электромагнитное поле вихревых токов и результирующее электромагнитное поле. В случае применения ВТП экранного типа сигнал измерительной обмотки при отсутствии ОК формируется только магнитным полем обмотки возбуждения.

При помещении ОК в магнитное поле ВТП вихревые токи, наводимые в ОК, ослабляют магнитное поле обмотки возбуждения. Тем самым ослабляется амплитуда сигнала измерительной обмотки. Плотность вихревых токов зависит от состояния ОК, удельной электропроводности и наличия внутренних дефектов. Чем выше удельная электропроводность и чем меньше размеры дефектов ОК тем сильнее ослабляется магнитное поле обмотки возбуждения и тем сильнее уменьшается амплитуда сигнала измерительной обмотки экранного ВТП.

Помимо экранных, применяются П-образные ВТП, например ДПСРисунок 1.12).

Рисунок 1.12 – Вихретоковый прибор контроля качества паяных соединений Параметрическая обмотка возбуждения, она же и измерительная, намотана на перемычку П-образного ферритового сердечника. Поля рассеяния, образующиеся между полюсами ферритового сердечника, возбуждают вихревые токи в ОК.

Серьезным ограничением в применимости указанного прибора и способа возбуждения вихревых токов (с применением П-образных ВТП), является ограниченный набор типоразмеров паяных соединений, которые возможно контролировать с применением конкретного ВТП. Таким образом, для каждого типоразмера паяного соединения необходимо выпускать свой ВТП.

1.3 Анализ технических средств контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов Тепловизионный (инфракрасный) контроль статора [47] может проводиться при помощи тепловизионной аппаратуры (термографов) с разрешающей способностью не менее 0,1 °С, предпочтительно со спектральным диапазоном 8-12 мкм. В качестве примера можно привести портативный компьютерный томограф ИРТИС-2000 с максимальной чувствительностью 0,02 °С, с точностью измерения ±1 °С при диапазоне измерений от -40 °С до 2000 °С. Масса прибора 1,45 кг.

На применение типов ультразвуковых дефектоскопов особых ограничения не накладываются. Это могут быть любые дефектоскопы как отечественных, так и западных производителей. В [31] в качестве примеров приводятся приборы фирмы Krautkramer (Германия) (на данный момент это фирма GE, США) USM60 и USM25.

Для проведения вихретокового контроля в [31] приводится дефектоскоп фирмы НПК «ЛУЧ». Однако, в этом же источнике указывается, что прибор применяется для обнаружения поверхностных трещин, что имеет мало общего с контролем качества паяных соединений. На сегодняшний день для контроля паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенератора получил распространение прибор ДПС-6 разработанный в ИФМ УрО РАН.

1.4 Постановка задачи исследования Исходя из выше сказанного, следует, что наиболее достоверным методом контроля является вихретоковый. На сегодняшний день существуют средства вихретокового контроля обладающие определенными достоинствами. В то же время эти средства имеют недостатки, снижающие достоверность контроля.

Они определены наличием мешающих параметров, таких как: изменение геометрических размеров паяных соединений при переходе с контроля одного типа турбогенератора к другому типу; влияние соседних близкорасположенных паяных соединений на результаты контроля.

Задача состоит в исследовании возможности разработки прибора контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов, обладающего всеми достоинствами существующих приборов и лишенного их недостатков (указаны выше) или с уменьшенным влиянием мешающих параметров. Для этого необходимо:

— теоретически обосновать применимости методов вихретокового вида НК для решения рассматриваемых задач и провести анализ контролируемых и мешающих параметров;

— разработать модель вихретокового первичного измерительного преобразователя и ОК с дефектами, имитирующие реальные;

— разработать способ выделения информативного параметра сигнала ВТП на фоне влияния мешающих параметров, позволяющего измерять степень пропаянности паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов;

— изготовить и испытать разработанные средства НК паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов;

— внедрить результаты работы на промышленном предприятии.

Глава 2 Теоретическое обоснование применения вихретокового вида неразрушающего контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов 2.1 Взаимодействие электромагнитного поля с материалами токоведущих соединений Имеется большое разнообразие конструкций турбогенераторов. Различные серии и типы турбогенераторов имеют разные устройства соединений стержней статорной обмотки в единое целое. Применяются различные припои для соединения элементов статорной обмотки. В данной работе нецелесообразно рассматривать все существующие варианты. Остановимся на одной из наиболее распространенных задач контроля качества паяного соединения – контроля пайки элементарных проводников стержня в хомут, в результате которой получается головка стержня (Рисунок 2.1).

1 – элементарные проводники;

Рисунок 2.1 – Головка стержня статорной обмотки турбогенератора На рисунке 2.2 показаны места пайки. Элементарные проводники в стержне изолированы друг от друга, но для обеспечения электрического соединения между собой и хомутом в процессе пайки изоляция снимается на длину хомута.

1 – элементарные проводники;

Рисунок 2.2 – Схематичное изображение головки стержня статорной обмотки Материалом элементарных проводников и хомута является электротехническая медь М1. В [65] сказано, что требования к физическим свойствам меди, включая удельную электропроводность, устанавливают в стандартах на конкретные виды продукции или соглашением (контрактом) сторон. Ввиду отсутствия необходимой информации о требованиях к электропроводности меди марки М1 для описанного вида продукции был проведен ряд измерений на существующих головках стержней статора турбогенератора измерителем электропроводности «Константа К6».

Усредненная электропроводность меди марки М1 составила М = 58,8 МСм/м.

Для соединения элементарных проводников и хомута применяется припой марки ПСр-15. Его электропроводность также была измерена измерителем электропроводности. Усредненное значение электропроводности составило П = 10 МСм/м. Несмотря на то, что зазоры между отдельными проводниками, а также между проводниками и хомутом малы, электропроводность готового паяного соединения будет всегда ниже электропроводности меди, даже в случае идеального качества пайки [55]. Оценка данной величины приводится в следующих главах работы.

Для обеспечения достоверности результатов вихретокового контроля необходимо определиться с несколькими параметрами:

— частота тока возбуждения f, Гц;

— глубина проникновения вихревого тока, м;

— обобщенный параметр.

Целесообразно использовать частоту тока возбуждения преобразователя для контроля паяных соединений стержней статорных обмоток 50 Гц. Эта частота совпадает с частотой тока, протекающего в статорной обмотке при штатном режиме работы турбогенератора. Распределение плотности тока в паяном соединении на этой частоте при работе генератора и при проведении вихретокового контроля наиболее близки и будут выявляться наиболее актуальные дефекты пайки [18, 68]. В дальнейшем будет показано, что выбор данной частоты оправдан как с точки зрения обобщенного параметра, так и с точки зрения глубины проникновения вихревого тока [77].

проникновения вихревых токов где µ – абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м; – удельная электропроводность, См/м.

Глубина проникновения должна быть достаточной для проведения вихретокового контроля, поэтому рассмотрим наиболее сложный с точки зрения проникновения вихревых токов случай для рассматриваемой нами задачи, когда = М = 58,8 МСм/м. Относительная магнитная проницаемость для меди µr = 1, поэтому µ = µ0 = 410-7 Гн/м. Подставив указанные значения в (2.1) получим = 9,29 мм. Как указано в [59] эта величина означает «расстояние от поверхности объекта контроля (ОК) до слоя в котором плотность вихревых токов в е раз меньше, чем на поверхности (е = 2,7183)». Из схематичного изображения головки стержня на рисунке 2.2 очевидно, что целесообразно располагать вихретоковый преобразователь (ВТП) параллельно наибольшей плоскости хомута, имеющей размеры 50х66 мм. Вихревые токи наводятся параллельно этой плоскости и при данном расположении ВТП расстояние, на которое им необходимо проникнуть является наименьшим и составляет 29 мм. Стандартная глубина проникновения в три раза меньше этой величины. Для того, чтобы можно было судить о возможности или невозможности проведения контроля, этих данных недостаточно. В документе [67] введено понятие эффективной глубины проникновения: «глубина материала, за которой электромагнитное явление вихревых токов невозможно использовать при контроле с помощью выбранной системы». Необходимо определиться с типом и параметрами ВТП[66].

2.2 Выбор метода вихретокового контроля и обоснование выбора типа преобразователей Рассмотрим возможность применения накладного ВТП. В идеальном случае, когда радиус обмотки возбуждения ВТП не влияет на глубину проникновения вихревых токов и не уменьшает ее, можно воспользоваться формулой для расчета эффективной глубины проникновения из [79]:

Используя рассчитанную ранее величину = 9,29 мм получаем эффективную глубину проникновения d= 23,2 мм. Эта величина меньше необходимого нам размера ОК 29 мм, следовательно, накладной ВТП применять для контроля пайки элементарных проводников стержней невозможно.

Эффективная глубина проникновения вихревых токов для экранного ВТП представлена в [23]. Она зависит от значения обобщенного параметра, вычисляемого по формуле:

где R – радиус обмоток ВТП, м.

Радиус обмоток ВТП выберем исходя из критерия максимального охвата наводимыми вихревыми токами объема ОК. Наибольшая плотность распределения наводимых вихревых токов находится непосредственно под витками обмотки возбуждения ВТП. Обмотка возбуждения подводится к плоскости хомута имеющей размеры 50х66 мм (Рисунок 2.2). Исходя из этого выберем радиус обмоток ВТП R = 30 мм. В этом случае по формуле (2.3) получаем = 4,6. При этом значении, эффективная глубина проникновения вихревых токов равна 1,6R [23 с. 425] и составляет 48 мм. Эта величина больше необходимого нам размера ОК 29 мм, следовательно, применение экранного ВТП с радиусом обмоток ВТП R = 30 мм и частоте тока возбуждения f = 50 Гц для вихретокового контроля возможно [37].

Необходимо исключить влияние на результаты контроля конструктивных элементов обмотки статора турбогенератора, которые располагаются рядом с контролируемым паяным соединением. Применение экранированных обмоток первичного измерительного преобразователя позволяет добиться этого результата [30]. На рисунке 2.3 представлена модель ВТП экранного типа, обмотки которого имеют с внешних сторон стальные экраны [16, 72, 75].

1 – обмотка возбуждения WВ;

2 – стальной экран обмотки возбуждения;

3 – измерительная обмотка WИ;

4 – стальной экран измерительной обмотки;

6 –элементарные проводники ОК.

Рассчитать наводимое напряжение UИ на измерительной обмотке WИ для данной модели в аналитическом виде не представляется возможным в силу наличия с внешних сторон обмоток ВТП стальных экранов, сложной формы и внутренней структуры ОК [7, 8, 9, 10]. С помощью конечно-элементного моделирования возможно получить значения напряжений UИ для различных вариаций параметров как ОК, так и ВТП. Для того, чтобы подтвердить правильность выбираемых при конечно-элементном моделировании настроек, необходимо принять упрощенную модель ОК и ВТП, рассчитать наводимое моделирования. Если будет сходимость результатов, то можно сделать вывод о том, что настройки при конечно-элементном моделировании сделаны правильно, и заменить модель ОК и ВТП на более сложную, представленную на рисунке 2.3 [19].

Упрощенная модель ОК и ВТП приведена на рисунке 2.4.

1 – обмотка возбуждения WВ;

2 – измерительная обмотка WИ;

На рисунке 2.4 приведены следующие обозначения: R1 – внутренний радиус обмотки возбуждения WВ; R2 – наружный радиус обмотки возбуждения WВ; R’1 – внутренний радиус измерительной обмотки WИ; R’2 – наружный радиус измерительной обмотки WИ; Т – толщина ОК; НСР – расстояние между серединами обмотки возбуждения WВ и измерительной обмоткой WИ; l – высота обмотки возбуждения WВ; l’ – высота измерительной обмотки WИ.

Для аналитического расчета наводимого напряжения UИ на измерительной обмотке Wи воспользуемся формулами приведенными в [11, 12, 13, 14, 15, 42].

Для удобства построения годографов и возможности их сравнения с другими годографами результаты вычисляются для отношения UИ U0, где UИ – напряжение на измерительной обмотке при наличии изделия; U0 – мнимая составляющая напряжения на измерительной обмотке в отсутствии изделия.

Для экранных преобразователей с прямоугольным сечением обмоток (Рисунок 2.4) выражения для действительной и мнимой составляющих относительных напряжений, наводимых в измерительной обмотке, имеют следующий вид:

При контроле однослойных неферромагнитных листов где Для вычисления данной задачи использованы следующие значения переменных:

0 = 4 10-7 =1,25710-6 Гн/м, Используя то же графическое описание, что и при аналитическом расчете (Рисунок2.3), построена конечно-элементная модель в среде AnsoftMaxwell, (Рисунок2.5)[1, 5, 71].

1 – обмотка возбуждения WВ;

2 – измерительная обмотка WИ;

4 –сечение WВ;

5 – сечение WИ;

6 – область определения конечно-элементной задачи, по границе которой напряженность магнитного поля приравнивается к нулю.

Рисунок 2.5 – Графическое изображение упрощенной конечно-элементной Обмотка возбуждения имитируется медным кольцом (В = 58,8 МСм/м), без учета влияния вихревых токов на распределение плотности тока возбуждения в сечении медного кольца. Ток возбуждения модели ВТП задается в сечении WВ.

Измерительная обмотка имитируется электропроводящим кольцом с низкой удельной электрической проводимости (И = 2 См/м). Значение И = См/м выбрано по причине того, что это значение минимально возможное для удельной электрической проводимости электропроводящего тела, применяемой среде моделирования. Предельно низкая удельная электрическая проводимость кольца, имитирующего измерительную обмотку, позволяет получить выходной сигнал ВТП, при этом минимизировать влияние вихревых токов в нем. При среднем диаметре обмотки D И = 50 мм и площади сечения обмотки S И = мм2сопротивление составит R =D / (SИИ) = 2,9 кОм. Это сопротивление достаточно, чтобы ток в кольце, имитирующем измерительную обмотку не оказывал сколь ни будь существенного влияния на результаты вычислений [3, 29].

Выходным сигналом модели является ток WИ, протекающий через её сечение. Вычисление комплексных составляющих тока измерительной обмотки И производится по формулам (20, 21) [74, 78]:

где Jx – составляющая плотности тока в сечении измерительной обмотки, параллельная оси x.

В среде моделирования формулы, представленные выше, записаны в виде следующих выражений [70]:

Re (IИ) = Integrate(Surface(SИ), Real(ScalarX())), (2.24) Im (IИ) = Integrate(Surface(SИ), Imag(ScalarX())). Учитывая очень малые значения полученных результатов, для уменьшения погрешности дальнейших вычислений полученные значения домножаются на число 1 000 000 000 000.

Выходным сигналом конечно-элементной модели ВТП является ток IИ в сечении измерительной обмотки, однако, для сравнения результатов расчетов, напряженийUИ U0. Напряжения UИ и U0 вычисляются как падение напряжения на кольце, моделирующем измерительную обмотку, при протекании по нему тока IИ.

Математические аналитическая и конечно-элементная модели построены для вычисления влияния контролируемых и некоторых мешающих параметров.

В упрощенных моделях контролируемым параметром является удельная электрическая проводимость и толщина ОК, основным мешающим параметром, влияние которого можно вычислить с помощью как аналитической, так и конечно-элементной модели, является расстояние между обмотками ВТП.

применением аналитической и конечно-элементной модели, отражено в виде годографов (Рисунок 2.6).

для конечно-элементной модели:

1 – электропроводность;

2 – толщина;

3 – расстояние между обмотками, =59 МСм/м;

4 – расстояние между обмотками, =30 МСм/м;

для аналитической модели:

5 – электропроводность;

6 – толщина;

7 – расстояние между обмотками, =59 МСм/м;

8 – расстояние между обмотками, =30 МСм/м.

Рисунок 2.6 – Результаты сравнения годографов отношения UИ U0 напряжений на измерительной обмотке Wи полученных в результате аналитических вычислений и конечно-элементного моделирования Обозначения линий, приведенных на рисунке 2.6, а также диапазоны изменения параметров моделей приведены в таблица 2.1.

Таблица 2.1 – Диапазоны изменения параметров моделей.

Аналитическая Конечнопараметра Сравнение результатов вычислений, полученных аналитическим и конечно-элементным методами произведено по следующим формулам:

гдеAаналит и AМКЭ – амплитуда нормализированного сигнала ВТП UИ U0, вычисленная, соответственно, аналитическим и конечно-элементным методами.

Таблица 2.2 – Сравнение влияния изменения удельной электропроводности ОК.

Таблица 2.3 – Сравнение влияния изменения толщины ОК.

Таблица 2.4 – Сравнение влияния расстояния между обмотками ВТП при различной удельной электропроводности ОК.

использованием различных математических моделей, показывает высокую степень сходимости. Максимальная разница амплитуд отношения напряжений UИ U0 составляет 0,09.

Формы годографов при изменении электропроводности и толщины ОК совпадают. Точки значений отношения напряжений UИ U0 на измерительной обмотке Wи располагаются попарно достаточно близко. Наклоны и длина электропроводностях ОК = 59 МСм/м и = 30 МСм/м совпадают.

Выбранные при конечно-элементном моделировании настройки можно считать правильными, следовательно, допустимо на следующем этапе расчетов заменить модель ОК и ВТП на более сложную.

При эксплуатации ВТП на реальных ОК на результаты измерений оказывает влияние большое количество мешающих параметров. Помимо этого,измеряемая величина оказывается многопараметровой. Анализ упрощенной конечно-элементной модели позволяет убедиться в её применимости, но для решения некоторых практических задач этого не достаточно [22, 33]. Для решения указанных практических задач построена полноценная конечно-элементная модель ВТП и ОК [71] с применением описанной выше методики. На рисунке2.7 приведено её графическое изображение.

1 – ОК, темная часть – медный хомут, светлая часть – тело, имитирующее дефект;

2 – обмотка возбуждения WВ со стальным экраном;

3 – измерительная обмотка WИсо стальным экраном;

4 – область определения конечно-элементной задачи, по границе которой напряженность магнитного поля приравнивается к нулю.

Рисунок 2.7– Графическое изображение полноценной конечно-элементной Для анализа задачи контроля, а также для проведения моделирования методом конечных элементов, контрольный образец (КО) 100 % имитируется монолитным образцом с удельной электропроводностью М = 58,8 МСм/м (Рисунок 2.8, (а)). Для имитации КО 0 % предлагается рассмотреть возможность замены набора изолированных элементарных проводников однородным телом с меньшей удельной электропроводностьюД(Рисунок 2.8, (б)). Это обусловлено тем, что, несмотря на относительно малые размеры изолированных элементарных проводников, вихревые токи в них наводятся, и они оказывают влияние на сигнал вихретокового преобразователя (ВТП).

Поскольку дефектом пайки ОК являются неспаянные друг с другом элементарные проводники, то для его имитации, аналогично, как и для имитации набора изолированных проводников КО 0 %, занимаемую им область в модели предлагается заменить однородным телом с меньшей удельной электропроводностьюД(Рисунок 2.8, (в)). На этом же рисунке показаны геометрические переменные, используемые в модели, описывающие размеры тела, имитирующего дефект [28].

Тд – толщина тела, имитирующего дефект;

Гд – глубина залегания тела, имитирующего дефект.

Рисунок 2.8 –а) модель КО 100 %; б) модель КО 0 %; в) модель ОК Электромагнитные параметры материалов модели приведены в таблице 2.5.

Таблица 2.5 – Электромагнитные параметры материалов модели.

набор изолированных элементарных проводников в области дефекта Эквивалентная удельная электропроводность тела, имитирующего дефект КО 0 %, определена по следующей методике. Изготовлен реальный ВТП, описанный в конечно-элементной модели, а также ряд монолитных образцов.

Материал монолитных образцов: медь М1Е М1Е = 58,6 МСм/м, алюминиевый сплав АК6 АЛ = 26,5 МСм/м, латунь ЛМЦ ЛАТ = 9,79 МСм/м. Измерено комплексное напряжение измерительной обмотки реального ВТП, в магнитное поле которого поочередно установлены монолитные образцы и КО 0 %.

Аналогичный эксперимент проведен в среде моделирования, при этом удельная электропроводность однородного тела, имитирующего дефект, выбрана в виде переменной в диапазоне от 0,1 МСм/м до 58 МСм/м.

Поскольку выходным сигналом модели ВТП является ток в сечении измерительной обмотки, а выходным сигналом реального ВТП является напряжение измерительной обмотки, их непосредственное сравнение некорректно. Для сравнения результатов моделирования с результатами испытаний реального ВТП вычисляется падение напряжения на кольце, моделирующем измерительную обмотку. Полученное напряжение, так же, как и напряжение реального ВТП, нормировано по сигналу с ВТП без внесенных в его магнитное поле электропроводящих объектов («на воздухе») [7]:

где И –– падение напряжения на кольце, моделирующем измерительную обмотку (для модели ВТП), или напряжение на измерительной обмотке ВТП (для реального ВТП);

И(ВОЗД) – И без внесенных в его магнитное поле электропроводящих объектов («на воздухе»).

Годографы нормированных сигналов реального ВТП и рассчитанных сигналов модели ВТП представлены на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 – Годографы нормированных сигналов модели и реального ВТП На рисунке 2.9 цифрами обозначено:

1 – годограф нормированного сигнала модели ВТП, соответствующего изменению удельной электропроводности монолитного образца;

2 – годограф нормированного сигнала реального ВТП, соответствующего изменению удельной электропроводности монолитного образца;

3 – годограф нормированного сигнала модели ВТП, соответствующего изменению удельной электропроводности тела, имитирующего дефект КО 0 %;

4 – точка, соответствующая сигналу реального ВТП с КО 0 %;

5 – точка на годографе 1, соответствующего удельной электропроводности монолитного образца 9,79 МСм/м;

6 – точка на годографе 1, соответствующая удельной электропроводности монолитного образца 26,5 МСм/м;

7 – точка на годографе 1, соответствующая удельной электропроводности монолитного образца 58,6 МСм/м;

8 – точка на годографе 1, соответствующая «воздуху»;

9 – точка на годографе 2, соответствующая удельной электропроводности монолитного образца 9,79 МСм/м;

10 – точка на годографе 2, соответствующая удельной электропроводности монолитного образца 26,5 МСм/м;

11 – точка на годографе 2, соответствующая удельной электропроводности монолитного образца 58,6 МСм/м;

12 – точка на годографе 2, соответствующая «воздуху».

Из рисунка 2.9 видно, что сигнал реального ВТП с КО 0 % (точка 4) наиболее близок к сигналу реального ВТП с латунным монолитным образцомЛАТ = 9,79 МСм/м (точка 9). Амплитуда сигнала реального ВТП с КО 0 % составляет 83 % амплитуды сигнала реального ВТП с латунным монолитным образцом. Аналогичное соотношение амплитуд наблюдается в модели в случае, если удельная электропроводность тела, имитирующего дефект, соответствует 3 МСм/м. Это значение применяется для дальнейшего моделирования тела, имитирующего дефект КО 0 % и ОК.

Используя полноценную конечно-элементную модель появляется возможность определить влияние контролируемого и мешающих параметров на сигналы ВТП. За счет этого произведен выбор информативных параметров и оптимизация характеристик преобразователей.

2.3 Выбор информативных параметров и принципов оптимизации характеристик преобразователей Исследовано влияние удельной электропроводности монолитного образца, а так же размеров и расположения тела, имитирующего дефект в объеме ОК, на сигнал модели ВТП (Рисунок 2.10).

Рисунок 2.10 – Годографы влияния толщины и глубины залегания тела, На рисунке 2.10 цифрами обозначены:

1 – годограф нормированного сигнала модели ВТП, соответствующего изменению удельной электропроводности ОК в диапазоне от 1 до 59 МСм/м;

2, 3 – годограф нормированного сигнала модели ВТП, соответствующего изменению толщины тела, имитирующего дефект ОК, в диапазоне от 1 до мм, расположенного возле обмотки возбуждения и измерительной обмотки, соответственно;

соответствующего изменению глубины расположения тела, имитирующего дефект ОК фиксированной толщины, 5, 10 и 15 мм, соответственно.

Из рисунка 2.10 видно, что размер тела, имитирующего дефект ОК, оказывает влияние на амплитуду и на фазу сигнала модели ВТП, а глубина преимущественно на фазу сигнала модели ВТП, влияние на амплитуду незначительно и немонотонно. Сигналы модели ВТП при расположении тела, имитирующего дефект ОК, как возле измерительной, так и возле обмотки возбуждения, практически совпадают.

2.4 Мешающие параметры и компенсация (уменьшение) их влияния При проведении контроля помимо контролируемого параметра (степени пропаянности или толщины тела, имитирующего дефект), мешающие параметры так же оказывают влияние на сигналы ВТП. Мешающие параметры можно условно разделить на группы [20, 21, 25]:

- геометрические, связанные с взаимным расположением ВТП и ОК;

- геометрические, определяемые формой и размерами ОК, - электромагнитные, характеризуемые свойствами ОК.

Годографы нормированных сигналов модели ВТП, показывающие влияние геометрических мешающих параметров взаимного расположения ВТП и ОК, представлены на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11 – Годографы влияния геометрических мешающих параметров На рисунке 2.11 цифрами обозначено:

1 – годограф нормированного сигнала модели ВТП, соответствующего изменению толщины тела, имитирующего дефект ОК, в диапазоне от 1 до мм, расположенного возле обмотки возбуждения модели ВТП (приведен для наглядного сравнения степени влияния контролируемого и мешающих параметров);

2 – годографы нормированного сигнала модели ВТП, соответствующего смещению модели ВТП относительно ОК вдоль оси модели ВТП в диапазоне от 0 до 11 мм;

3 – годографы нормированного сигнала модели ВТП, соответствующего смещению модели ВТП вдоль оси X ОК, в диапазоне от 0 до 15 мм;

соответствующего смещению модели ВТП вдоль оси Y ОК. 4.1 – в диапазоне от 0 до 15 мм, 4.2 – в диапазоне от -15 до 0 мм;

5 – годографы нормированного сигнала модели ВТП, соответствующего повороту модели ВТП вокруг осей X и Y ОК в диапазоне от 0° до 9°.

имитирующего дефект ОК, 0 мм и 15 мм.

На рисунке 2.11 годографы 5 выглядят точками, так как их длина столь мала, что они не могут быть отображены точнее в выбранном масштабе. Как видно из рисунка 2.11, мешающие параметры взаимного расположения модели ВТП и ОК оказывают влияние преимущественно на фазу сигнала модели ВТП.

Годографы нормированных сигналов модели ВТП, показывающие влияние геометрических мешающих параметров ОК, а так же влияние изменения расстояния между обмотками модели ВТП, представлены на рисунке 2.12.

Рисунок 2.12 – Годографы влияния геометрических мешающих параметров ОК, На рисунке 2.12 цифрами обозначено:

1 – годограф нормированного сигнала модели ВТП, соответствующего изменению толщины тела, имитирующего дефект ОК, в диапазоне от 1 до мм, расположенного возле обмотки возбуждения (приведен для наглядного сравнения степени влияния контролируемого и мешающих параметров);

2 – годографы нормированного сигнала модели ВТП, соответствующего вариации толщины медного хомута ОК, в диапазоне от 2 до 4 мм;

3 – годографы нормированного сигнала модели ВТП, соответствующего вариации ширины элементарных проводников, в диапазоне от 20 до 22 мм;

4 – годографы нормированного сигнала модели ВТП, соответствующего изменению расстояния между обмотками модели ВТП, в диапазоне от 33 до мм;

имитирующего дефект ОК 0, 5, 10 и 15 мм.

Анализируя годографы на рисунке 2.12, мы видим, что рассматриваемые мешающие параметры оказывают влияние как на фазу, так и на амплитуду сигнала модели ВТП.

Обобщая данные, представленные на рисунках 2.10, 2.11 и 2.12 очевиден ряд выводов:

Мешающие параметры взаимного расположения ВТП и ОК на практике встречаются чаще всего. Они оказывают значительное влияние на фазу сигнала модели ВТП, однако их влияние на амплитуду сигнала модели ВТП мало. Это говорит о том, что для уменьшения их влияния следует использовать в качестве информативного параметра амплитуду сигнала ВТП.

Зависимость рассчитанной амплитуды нормированного сигнала модели ВТП от толщины тела имитирующего дефект ОК показана на рисунке 2.13, из которого видно, что эта характеристика монотонная и её кривизна изменяется незначительно во всем диапазоне изменения толщины тела, имитирующего дефект ОК.

Рисунок 2.13 – Зависимость рассчитанной амплитуды нормированного сигнала модели ВТП от толщины тела имитирующего дефект ОК Дополнительная погрешность измерения возникает вследствие отклонения мешающих параметров от нормального значения. Зависимость абсолютной дополнительной погрешности измерения от мешающих параметров приведена на рисунке 2.14.

Рисунок 2.14 – Графики зависимости абсолютной дополнительной погрешности измерения от мешающих параметров при различном значении толщины Тд тела, имитирующего дефект: а – смещения ВТП вдоль оси X ОК;

б – смещения ВТП вдоль оси Y ОК; в – расстояния между обмотками ВТП допускаемой погрешностью измерения в 5%. Влияние изменения расстояния между обмотками модели ВТП диктует требования к точности изготовления и жесткости корпусных деталей.

Для обеспечения требуемой погрешности измерения смещение реального ВТП относительно заданного положения следует ограничить нанесением соответствующих меток на экраны обмоток реального ВТП и их совмещения с характерными точками ОК или за счет применения позиционирующих оснасток. Так же возможно использование приемов, основанных на анализе информативных параметров, менее подверженных влиянию указанных мешающих параметров.

2.5 Алгоритм, реализующий способ подавления геометрических мешающих параметров взаимного расположения визретокового преобразователя и объекта контроля Способ реализуется с применением амплитудно-фазовой обработки сигнала ВТП в программном обеспечении микроконтроллера ВТП [24].

Рисунок 2.15 – Годографы влияния контролируемого параметра и геометрических мешающих параметров взаимного расположения модели ВТП На рисунке 2.15 цифрами обозначено:

1 – линия влияния мешающего параметра, смещения ВТП относительно полностью непропаянного ОК;

2 – линии влияния мешающего параметра, смещения ВТП относительно ОК с различной степенью пропаянности;

3 – линия влияния мешающего параметра, смещения ВТП относительно полностью пропаянного ОК;

4 – направление увеличения смещения ВТП относительно ОК;

5 – направление увеличения степени пропаянности ОК;

6 – линия влияния контролируемого параметра – степени пропаянности ОК.

С применением амплитудно-фазовой схемы принимается сигнал с преобразователя. Зависимость сигнала от изменения контролируемого параметра (степени пропаянности соединения) и от основного мешающего параметра (смещения преобразователя относительно объекта контроля) приведены на рисунке 2.15.

Алгоритм состоит из пяти шагов [17]. Первые 4 шага выполняются при настройке прибора, пятый шаг выполняется в процессе выполнения измерений.

Шаг 1.Определяется влияние мешающего параметра в заданном диапазоне контролируемого параметра (степень пропаянности П от 0% до 100%) и в допускаемом диапазоне мешающего параметра (смещение преобразователя относительно объекта контроля от 0 мм до 10 мм): Определяются координаты точек (П; С): (100%; 0мм), (100% ;10 мм), (0%; 0мм), (0% ;10 мм), точки 3 на рисунке 2.16.

Рисунок 2.16 –Схема, поясняющая принцип вычисления точки отсчета для вычисления информативного параметра сигнала ВТП На рисунке 2.16 цифрами обозначено:

1 – линия влияния контролируемого параметра – степени пропаянности ОК;

2 – линии влияния мешающего параметра, смещения ВТП относительно ОК с различной степенью пропаянности;

3 – опорные точки границ диапазонов контролируемого и мешающего параметров (П; С): (100%; 0мм), (100% ;10 мм), (0%; 0мм), (0% ;10 мм);

контролируемого и мешающего параметров;

5 – нормаль к линии, соединяющей опорные точки нижней границы диапазона контролируемого параметра и границ диапазона и мешающего параметра;

6 – нормаль к линии, соединяющей опорные точки верхней границы диапазона контролируемого параметра и границ диапазона и мешающего параметра;

7 – точка пересечения нормалей – точка отсчета амплитуды сигнала.

Шаг 2.Строятся прямые линии, соединяющие эти точки, линии 4 на рисунке 2.16. Определяются коэффициенты функций линий [36]:

по формулам:

Шаг 3.Строятся перпендикуляры к этим линиям, в точках (100%; 0мм) и (0%; 0мм), линии 5 и 6 на рисунке 2.16.

Определяются коэффициенты функций линий:

по формулам:

Шаг 4.Определяются координаты точки пересечения перпендикуляров, точка 7 на пересечении линий 5 и 6 на рисунке 2.16.

Координаты точки вычисляются по формулам:

Шаг 5.Амплитуда сигнала преобразователя вычисляется относительно вычисленной точки пересечения по формуле:

Результаты испытания алгоритма представлены ниже.

На рисунке 2.17 приведена зависимость абсолютной дополнительной классического амплитудного алгоритма выделения информативного параметра сигнала ВТП.

1 – толщина тела, имитирующего дефект 0 мм;

2 – толщина тела, имитирующего дефект 5 мм;

3 – толщина тела, имитирующего дефект 10 мм;

4 – толщина тела, имитирующего дефект 15 мм;

5 – толщина тела, имитирующего дефект 21 мм.

Рисунок 2.17 – Зависимость абсолютной дополнительной погрешности измерения степени пропаянности в случае применения классического амплитудного алгоритма выделения информативного параметра сигнала ВТП.

На рисунке 2.17 приведена зависимость абсолютной дополнительной погрешности измерения степени пропаянности в случае применения предложенного амплитудного алгоритма выделения информативного параметра сигнала ВТП.

1 – толщина тела, имитирующего дефект 0 мм;

2 – толщина тела, имитирующего дефект 5 мм;

3 – толщина тела, имитирующего дефект 10 мм;

4 – толщина тела, имитирующего дефект 15 мм;

5 – толщина тела, имитирующего дефект 21 мм.

Рисунок 2.18 – Зависимость абсолютной дополнительной погрешности измерения степени пропаянности в случае применения предложенного амплитудного алгоритма выделения информативного параметра сигнала ВТП Анализируя данные на рисунках 2.17 и 2.18 очевидно, что предложенный алгоритм позволяет снизить значение дополнительной погрешности в 2,5 раза.

2.6 Выводы по главе Обосновано применение экранного ВТП для решения задачи контроля качества пайки стержней статорной обмотки турбогенераторов с частотой тока обмотки возбуждения 50 Гц.

Построены упрощенные аналитическая и конечно-элементная модели экранного ВТП и ОК. Произведен расчет сигналов ВТП при изменении некоторых контролируемых и мешающих параметров. Показана сходимость результатов расчетов с использованием аналитической и конечно-элементной моделей.

повторяющая их конструкцию. Предложена и построена модель ОК, неспаянные проводники которой заменены монолитным телом с низкой электропроводностью, имитирующим дефект.

контролируемых и мешающих параметров. Показана возможность применения конечно-элементной модели для моделирования различных дефектов пайки, мешающих параметров и их сочетаний, произведен расчет чувствительности, а также оценка влияния основных мешающих параметров и погрешности измерения при контроле паяных соединений обмоток турбогенераторов.

Предложен алгоритм, реализующий способ контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов, отличающийся от известных тем, что в качестве информативного параметра сигнала ВТП используется его амплитуда, вычисленная относительно точки на комплексной закономерностью, обеспечивающей измерение степени пропаянности с заданной погрешностью в заданных диапазонах девиации мешающих параметров.

Глава 3 Научно-методические принципы неразрушающего контроля качества паяных соединений стержней статорных 3.1 Метрологическое обеспечение средств контроля неразрушающего контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов Наиболее важным пунктом метрологического обеспечения средств НК является контрольный образец (КО).

КО следует применять для увязывания характеристик и установок параметров средства НК с характеристиками объекта контроля, а так же с некоторыми мешающими параметрами.

Контрольные образцы предназначены для передачи величины контролируемого параметра, определенных характеристик ОК, и мешающих параметров средству НК.

При контроле качества пайки соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов контрольные образцы применяются с целью настройки чувствительности и калибровки средства НК.

3.2 Требования к методике неразрушающего контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов Методика проведения контроля разрабатывается в соответствии с [ГОСТ Р ИСО 15549-2009], п.13.2.

Методика контроля должна включать в себя:

— цель контроля;

— описание квалификации и аттестации персонала;

— условия окружающей среды;

— документацию по эксплуатации средств контроля;

— описание контрольных образцов;

— конфигурацию средства контроля;

— требования к калибровке средства контроля;

— требования к оценке сигнала;

— описание ОК;

— способ подготовки поверхности ОК;

— размеры области контроля;

— траекторию сканирования (или позиция установки средства НК);

— подробное описание последовательности этапов, операций и действий контроля;

— критерии приемки (или критерий отбраковки);

— данные, подлежащие включению в протокол контроля.

3.3 Требования к методике калибровке средства неразрушающего контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов Методика калибровки средства НК может влиять на достоверность контроля. На данный момент различные предприятия, производящие турбогенераторы и осуществляющие их плановые ремонты проводят калибровку как на КО различных типов, так и без них, что приводит к различиям в численной оценке монолитности паяных соединений и возникновению спорных ситуаций при сдаче-приемке оборудования.

При настройке средства НК применяются пара контрольных образцов для контроля каждого типоразмера соединения – КО 0 %, имитирующий полностью непропаянное соединение, для установки 0 % монолитности и КО 100 %, имитирующее полностью пропаянное соединение, для установки 100 % монолитности. Совокупность этих операций определяют диапазон измерения и чувствительность прибора [38]. При проведении калибровки:

1 установка 0 % монолитности производится:

1.1 на непропаянной головке стержня с хомутом на конкретном статоре;

1.3 на специально изготовленном КО с хомутом и изолированными элементарными проводниками;

1.4 «на воздухе», т.е. без КО;

2 установка 100 % монолитности производится:

2.1 на спаянном соединении на контролируемом турбогенераторе, качество пайки которого гарантируется;

2.2 на специально изготовленном из электротехнической меди монолитном КО, повторяющем геометрически головку стержня с хомутом.

Если рассмотреть применение перечисленных способов калибровки с точки зрения достоверности НК, то следует отметить следующее. Испытания приборов на различных статорах и изготовленных КО показывают, что установка нуля по вариантам 1.1, 1.2 и 1.3 практически идентична. Допускается применять любой из них, т.к. показания прибора при этом будут практически одинаковыми. Это объясняется крайне низкой плотностью наведенных вихревых токов в изолированных элементарных проводниках на столь низкой применяемой частоте тока возбуждения ВТП. В случае 1.1, когда элементарные проводники не изолированы, контакты между ними настолько малы, что, как показывает практика, дополнительные вихревые токи в них не возникают, следовательно, не происходит смещения нуля показаний прибора. Вариант 1. установки 0 % показаний прибора напротив приводит к существенному изменению результатов измерений, т.к. показания прибора «на воздухе» не только существенно отличаются от показаний от реального не пропаянного стержня, но и зависят от реализации конкретного прибора и, в частности, конкретного ВТП.

Применение КО варианта 2.1 для установки 100 % монолитности может привести к заведомо ложным результатам, т.к. даже качественно пропаянный стержень на конкретном статоре не обязательно будет иметь монолитность, близкую к 100 %. Кроме того этот вариант КО не обеспечивает повторяемость величины монолитности от одного КО к другому. КО варианта 2.2.

изготавливается из цельной заготовки с применением электротехнической меди. В ней не может быть дефектов способных оказать влияние на вихревые токи наводимые ВТП, приводящее к занижению величины измерения монолитности.

Если рассматривать применение КО установки 100 % монолитности, то наибольшую достоверность результатов контроля обеспечит установка по варианту 2.2. Применение варианта 2.1 может привести к заведомо ложным результатам, т.к. даже самый качественно пропаянный стержень на конкретном статоре не обязательно будет иметь степень пропаянности, близкую к 100 %.

Об этом свидетельствует статистика контроля. На рисунке 3.1 приведена гистограмма статистики контроля пайки вилок и стержней статорной обмотки турбогенератора ТЗФП-220.

Рисунок 3.1 – Статистика контроля пайки вилок и стержней статорной обмотки Из рисунка 3.1 видно, что только одно соединение имеет степень монолитности более 94%, что в общем случае является случайностью.

Для обеспечения достоверности контроля при установки 100 % по варианту 2.2 необходимо нормировать удельную электропроводность меди, из которой изготавливается образец. Удельная электропроводность медных прутков марки М1Е, предназначенной для электротехнической промышленности в мягком состоянии, в соответствии с [ГОСТ 1535-91] не менее 57,21 МСм/м. Это значение следует применять при нормировке удельной электропроводности материала КО. Следует учитывать, что значение удельной электропроводности нормируется при температуре 20±1°С.

Возникают разногласия при выполнении требования обеспечения монолитности соединения 70 %, установленного в [47].

С использованием контрольных образцов определена разница результатов контроля в каждом из сочетаний образцов. Для этого измерена амплитуда сигнала ВТП на КО 0 %, образце 1.3 И(1.3), и на КО 100 %, образце 2.2 И(2.2).

Рассчитана амплитуда сигнала ВТП на ОК с пороговым значением степени пропаянности 70% по формуле:

Затем рассчитаны показания P прибора в случае его калибровки с использованием различных сочетаний КО по формуле:

На рисунке 3.2 показаны отличия расчетных показания прибора в случае использования различных КО для его настройки.

Рисунок 3.2 – Сравнение показаний прибора при его настройке на различных Как видно из рисунка 3.2 чаще всего отклонение от рекомендуемой методики приводит к завышению показаний прибора и, как следствие, к недобраковке.

3.4 Требования к контрольным образцам Качество пайки стержней статорной обмотки – величина случайная, о чем косвенно свидетельствует статистика контроля (Рисунок 3.1). Средств неразрушающего контроля, позволяющих с высокой степенью достоверности оценить качество их пайки, нет. По этой причине использование в качестве КО 100 % паяного соединения не обеспечивает повторяемости измерений.

повторяемости измерений не обеспечивает. Это объясняется тем, что количество и площадь замыканий сложенных в хомут элементарных проводников также является случайной величиной. Помимо этого, наличие неспаянных элементарных проводников влияет на амплитуду сигнала ВТП незначительно.

3.4.1 Разработка контрольных образцов и расчет погрешности измерения, определяемой погрешностью изготовления контрольных Если в качестве КО 100 % использовать монолитный брусок, размеры и форма которого повторяют реальное соединение, а в качестве КО 0 % использовать пустой хомут(Рисунок 3.3), то для обеспечения достоверности их параметров достаточно обеспечить геометрические и электрофизические (удельная электрическая проводимость материала КО) параметры КО в заданных пределах, что достигается применением распространенных средств измерения.

Расчет весовых функций источников погрешности произведен методом конечных элементов. Для этого, с применением конечно-элементной модели, вычислена амплитуда A сигнала модели ВТП с КО 100 %, КО 0 %, имеющих номинальное значение указанных параметров [4].

Рисунок 3.3 – Основные геометрические параметрыКО:а – КО 100 %, б – Рассчитана амплитуда сигнала модели ВТП на КО с пороговым значением степени пропаянности 70% (КО 70 %) по формуле:

где А(100 %) и A(0 %) – амплитуды сигнала модели ВТП, установленной на КО 100 % и КО 0 % соответственно.

номинальных по формуле:

где A’ – амплитуда сигнала модели ВТП, установленной на КО, значения параметров которых отличаются от номинальных.

обусловленная единичным отклонением значений параметров КО, вычисляется по формуле:

где х и Px – дополнительная абсолютная погрешность и показания прибора соответственно при отклонении значения одного из параметров КО от номинального.

Следует задаться допускаемой дополнительной погрешностью измерений, обусловленной отклонением значений параметров КО от номинальных, значением 1 %.

Отклонения значений параметров КО от номинальных, вызывающих возникновение дополнительной погрешности измерения 1%, вычисляется по формуле:

удовлетворяющие указанным требованиям, в предположении того, что все источники погрешности являются независимыми параметрами и их функции являются линейными в области их определения, вычисляются по формуле:

где i – количество одновременно влияющих параметров КО, являющихся независимыми источниками погрешности.

В таблице 3.1 приведены: номинальное значение параметров КО и допускаемое отклонение параметров КО от номинальных значений [63, 64].

Таблица 3.1 – Номинальное значение параметров КО и допускаемое отклонение параметров КО от номинальных значений.

Параметр Номинальное dxДОП Параметр Номинальное dxДОП Допускаемые отклонения электропроводности определяют точность измерения и допускаемое отклонение температуры КО во время калибровки прибора от температуры объекта контроля во время проведения контроля.

Учитывая температурный коэффициент удельной электрической проводимости меди = 4,3*10-3 [1/кельвин], допускаемая разница температуры КО и объекта контроля вычисляется по формуле:

где м – удельная электрическая проводимость меди.

Допускаемая разница температуры КО и объекта контроля не более 1°С.

Таким образом определена конструкция КО, вычислены допускаемые отклонения параметров КО от номинальных значений обеспечивающие заданную погрешность измерения, определены порядок и условия применения КО при проведении контроля паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов [35].

3.4.2 Разработка методики калибровки контрольных образцов Калибровка – совокупность операций, устанавливающих соотношение между значением величины, полученным с помощью данного средства измерений и соответствующим значением величины, определенным с помощью эталона с целью определения действительных метрологических характеристик этого средства измерений [45].

Методика калибровки предназначена для обеспечения единства процедуры проведения калибровки органами метрологической службы, аккредитованными для проведения калибровки в данной области.

Методика калибровки должна соответствовать назначению и техническим характеристикам КО [2].

Средства измерительной техники, применяемые при калибровке должны специализированные, устаревшие и мало распространенные средства измерительной техники.

Методика калибровки разрабатывается в соответствии с [45].

Измеряемые параметры КО: геометрические размеры КО, удельная электропроводность материала КО.

Измерение геометрических параметров КО штангенциркуль с отсчетом шкалы по нониусу или с цифровым отсчетным устройством. Диапазон измерения 0-150 мм.

Предел допускаемой погрешности измерения для штангенциркуля ШЦ-IГОСТ 166-89 – 0,05 мм, для штангенциркуля с цифровым отсчетным устройством ШЩЩ-I-150-0,01 ГОСТ 166-89 – 0,03 мм.

распределенных по соответствующей поверхности КО точках. Результатом измерения считается среднее арифметическое значение, полученное по измерениям [43].

Измерение удельной электропроводности материала КО Измерение удельной электрической проводимости цветных металлов традиционно производится вихретоковым методом в соответствии с ГОСТ 27333-87 – «Контроль неразрушающий. Измерение удельной электрической проводимости цветных металлов вихретоковым методом» [60], однако данный метод не распространяется на медь, так как его применение ограничено диапазоном удельной электропроводности ОК от 0,5 до 37 МСм/м.

В соответствии с ГОСТ 1535-91 – «Прутки медные. Технические условия»

соответствии с ГОСТ 7226 – «Кабели, провода и шнуры» [62], однако этот метод не может быть применен при измерении удельной электропроводности объектов сложной формы.

Современные вихретоковые измерители удельной электропроводности, например «Константа К6», реализуют вихретоковый метод измерения с расширенными, по сравнению с [60], возможностями. Прибор внесен в Государственный реестр средств измерений под № 18100-13, свидетельство об Преобразователи ПФ-ИЭ-6э-Cu и ПФ-ИЭ-4-Cu, применяемые при калибровке КО имеют диапазон измерения от 25 до 59 МСм/м и предел основной Преобразователь ФД2 – диапазон измерения от 0,5 до 59 МСм/м и предел основной допускаемой погрешности измерения в диапазоне от 5 до 59 МСм/м – 3 %. При значении удельной электропроводности меди = 58 МСм/м, соответственно. Указанной точности явно недостаточно для удовлетворения требований к измерению, предъявленных в п.3.4.1. Для устранения данного препятствия, средствами измерителя электропроводности «Константа К6» с сопоставление удельной электрической проводимости материала КО со стандартным образцом ГСО №4536-89. При проведении калибровки средства НК паяных соединений стержней обмоток турбогенераторов производится настройка прибора на КО при той же температуре, что и ОК.

3.4.3 Практическая реализация контрольных образцов Для проведения НК соединений каждого типоразмера выпускается соответствующий комплект КО. Номинальные размеры КО определяются в соответствиями с требованиями к размерам паяного соединения, определенного конструкцией турбогенератора и технологией изготовления паяного соединения. Допуски на геометрические размеры и форму КО определяются в соответствии с таблицей 3.1. Для обеспечения соответствия удельной электропроводности образцов друг другу оба образца комплекта изготавливаются из одной медной заготовки или из заготовок одной партии, электропроводность которых отличается не более чем на 0,2 МСм/м.

На всех этапах технологического процесса изготовления КО 100 % используется фрезерный станок. При изготовлении КО 0 % применяется как электроэрозионный станок. Допускается изготавливать КО 0 % из медной шины на гибочном оборудовании при условии обеспечения соответствия удельной электропроводности материалов КО 0 % и КО 100 %.

3.5 Разработка методики неразрушающего контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов Методика контроля должна учитывать следующие факторы: размеры ОК, состояния ОК (новый ОК / после ремонта или перепайки), наличие покрытия или защитного кожуха на ОК в момент проведения НК. Методика должна учитывать конструктивные особенности средства НК [44, 46].

Операции контроля, описываемые методикой, разбиваются на этапы и процедуры. Описание следующих процедур актуально:

— подготовка к использованию средства НК;

— проверка работоспособности и настройка чувствительности средства НК на КО;

— проведение контроля ОК;

— оценка результатов контроля, оформление протокола контроля.

3.5.1 Процедура подготовки к использованию Устройство преобразователя ПА-ПС-60э-Cu приведено на рисунке 3.4.

1 – обмотка возбуждения;

2 – измерительная обмотка;

3 – винты для регулировки расстояния между обмотками.

Рисунок 3.4 – Устройство преобразователя ПА-ПС-60э-Cu Подготовка к использованию ВТП сводится к установке требуемого расстояния между обмотками ВТП.

При первом использовании или при переходе на объект контроля с иным размерами необходимо проводить настройку расстояния между обмотками. Для этого:

— ослабить четыре винта 3 при помощи отвертки, рисунок 3.5;

Рисунок 3.5 – Ослабление винтов крепления планок обмоток ВТП при гарантировано больше толщины объекта контроля, но не выходило за границы диапазона изменения допускаемого при проведении контроля зазора между преобразователя ПА-ПС-60э-Cu – от 0 до 8 мм;

— затянуть винты 3 при помощи отвертки.

3.5.2 Процедура калибровки средства неразрушающего контроля — Установить преобразователь на КО 0 %, нажать кнопку «0» на блоке обработки и отображения информации;

— установить преобразователь на КО 100 %, нажать кнопку «ПОРОГ» на блоке обработки и отображения информации;

— проверить корректность настройки преобразователя последовательной установкой на КО 0 % и КО 100 %;

— при необходимость произвести повторную калибровку или произвести эксплуатации дефектоскопа вихретокового Константа ВД1».

Разница температуры КО и ОК во время контроля не должна превышать 1°С [27, 34].

3.5.3 Процедура проведения контроля паяного соединения — Установить ВТП на ОК, добиться устойчивых показаний, время установления показаний не более 2 секунд;

— считать показания на блоке обработки и отображения информации;

гарантированного зазора между катушками ВТП и ОК;

— показания прибора без объекта контроля, помещенного между катушками преобразователя, (преобразователь на воздухе) могут быть не стабильными и/или соответствовать рабочему диапазону преобразователя. Эти показания следует игнорировать.

3.6 Определение критериев приемки Анализ влияния мешающих параметров, а так же результаты испытаний разработанного ВТП, позволяют говорить о гарантируемой допускаемой погрешности измерения степени пропаянности ±5 %.

В [47] нормируется минимальное допустимое значение степени пропаянности 70 %. Исходя из достигаемого значения ±5 % при контроле следует устанавливать браковочный уровень 75 % для исключения недобраковки.

3.7 Выводы по главе Разработана методика контроля паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов, включающая в себя калибровку средства контроля с использованием двух контрольных образцов – КО 0 % и КО 100 %, определяющих чувствительность и диапазон измерения степени пропаяности средством контроля.

Обосновано использование в качестве КО 100 % монолитного медного бруска, размеры и форма которого соответствуют размерам и форме контролируемого паяного соединения. Обосновано использование в качестве КО 0 % пустого медного хомута, размеры и форма которого соответствуют хомуту объекта контроля.

Рассчитана погрешность измерения степени пропаяности в случае отклонения от предложенной методики в части использования контрольных образцов иной конструкции.

Предъявлены требования к конструкции и технологии изготовления контрольных образцов, рассчитаны пределы допускаемых отклонений геометрических размеров контрольных образцов от номинальных значений.

Рассчитаны требования к условиям применения контрольных образцов в части температуры КО и ОК.

Предложена конструкция и технология изготовления контрольных образцов с применением фрезерного и электроэрозионного оборудования.

Разработана методика калибровки контрольных образцов, включающая электропроводности материала образцов.

Глава 4 Разработка прибора контроля качества неразрушающего контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов 4.1 Структурная схема вихретокового дефектоскопа Принцип работы дефектоскопа основан на возбуждении в контролируемом изделии вихревых токов, выделении на выходе преобразователя сигнала, амплитуда и фаза которого определяются действующим вторичным полем, и последующей обработкой этого сигнала.

Общая структурная схема вихретокового дефектоскопа представлена на рисунке 4.1.

1 – генератор гармонического сигнала, 2 – первичный измерительный преобразователь, 6 – микроконтроллер, 8 – устройство питания, 10 – устройство звуковой сигнализации Рисунок 4.1 – обобщенная структурная схема вихретокового дефектоскопа Питание первичного измерительного преобразователя 2 осуществляется от генератора 1 синусоидального напряжения.

Выход преобразователя 2 подключен к усилителю 3. Усиленный сигнал поступает на детектор 4, синхронизация которого осуществляется от сигнала генератора 1. Полученный сигнал с детектора 4 преобразовывается в цифровой код с помощью АЦП 5 и передается в блок обработки информации в контролируемые и мешающие параметры. Соответствующая информация об объекте контроля (например, размеры дефекта) отображается на индикаторе 7.

преобразователя и выполнить сервисные функции, такие как запись значения, передача в значений ПК, и т.д. В качестве устройства звуковой сигнализации используется пьезоэлектрический звонок.

контроля, существует несколько различных компоновок приборов. Наиболее распространенной является компоновка, в которой вся электронная часть прибора, включая генератор сигналов, усилители и устройство обработки сигналов с вихретокового преобразователя находятся в отдельном блоке – блоке обработки информации, а первичный измерительный вихретоковый преобразователь устанавливается в корпусе с защитой от истирания и подключается к блоку обработки информации через кабель. Иногда в корпусе преобразователей устанавливают элементы индикации для сигнализации об обнаружении дефектов, микросхемы памяти для сохранения калибровочных характеристик и подстроечные элементы электромагнитной балансировки.

В таком варианте исполнения прибора от первичного измерительного вихретокового преобразователя к блоку обработки через длинный кабель передаются малые сигналы. Изменение паразитных характеристик кабеля при его скручивании и электромагнитные шумы приводят к необходимости усложнения электронной части прибора в части фильтрации сигналов и производители устанавливают около блока обработки информации на кабель ферритовый фильтр (кольцо), который подавляет высокочастотные помехи за счет значительного увеличения индуктивности проходящего через него участка кабеля [61].

Для устранения перечисленных недостатков описанной выше компоновки прибора используется исполнение, в котором первичный измерительный элемент устанавливается в непосредственной близости от электронной части:

либо первичный измерительный преобразователь встраивается в блок обработки информации, либо некоторые элементы, например предусилитель, устанавливаются в корпус вихретокового преобразователя.