Некоторые новые методы диагностики турбогенераторов
Диагностика состояния статора
Вибрационный контроль статора, выведенного в ремонт Статор ТГ как механическая система подразделяется на пакет активной стали, собранный с заданной степенью плотности, систему обеспечения и поддержания плотности пакета активной стали; систему крепления (подвески) сердечника в корпусе статора; обмотку статора и систему ее крепления; корпус статора.
Обобщенными свойствами, характеризующими способность технического устройства воспринимать и переносить длительные воздействия знакопеременных механических напряжений, являются жесткость и способность демпфировать возбуждающие знакопеременные (вибрационные) воздействия.
Известным способом контроля указанных свойств являются измерения собственных частот колебаний основных конструктивных узлов методом двухканального вибрационного анализа. Принципиальными основами контроля технического состояния в этом случае будут: проверка соответствия частотных свойств объекта контроля некоторым заданным требованиям, установленным исходя из особенностей его конструкции и условий эксплуатации; контроль за изменениями частотных свойств, вызываемых эксплуатационными нагрузками и выполняемыми во время ремонтов восстановительными мероприятиями. В ходе накопления дополнительных сведений предполагается установление диагностических критериев в виде значимых изменений частотных свойств.
Плотность пакета сердечника является одним из факторов, определяющих его жесткость. При прочих равных условиях снижение плотности сердечника ведет к снижению его жесткости. На основе такой взаимосвязи в качестве вибрационного параметра, отражающего жесткость сердечника, выбираются величины первой и второй собственных частот. Снижение плотности пакета сердечника ведет к снижению его жесткости, что выражается в уменьшении числовых значений частот, на которых проявляется резонансный эффект.
Другим вибрационным параметром, отражающим демпфирующие свойства сердечника и тоже характеризующим степень плотности пакета сердечника, является декремент колебаний. Физически демпфирующие свойства сердечника связаны с внутренним трением между его листами. Уменьшение плотности пакета сердечника, ухудшение состояния системы крепления сердечника ведут к увеличению поглощающих свойств конструкции и увеличению декрементов колебаний.
Вибрационные исследования пакета сердечника проводятся путем импульсного возбуждения его поперечных колебаний с помощью ударного молотка последовательно в нескольких сечениях и съема вибрационного отклика акселерометрами.
Отслеживая изменения характеристик резонансных свойств сердечника статора, можно контролировать как выработку ресурса работоспособности, так и восстановление его вследствие проведения ремонтных мероприятий. Эксперименты показывают, что резонансные частоты сердечника статора весьма чувствительны к малым отклонениям жесткости сердечника статора и благодаря этому позволяют локализовать зону таких отклонений.
В качестве метода контроля плотности сопряжения стяжных призм со спинкой статора проводятся виброисследования резонансных частот каждой призмы путем импульсного возбуждения одного конца призмы и съема вибрационного отклика с другого конца. Совместной обработкой входного сигнала и сигнала отклика получается передаточная функция, по которой определяются резонансные частоты каждой призмы. Исследования показывают, что призмы, имеющие ослабленную плотность сопряжения со спинкой сердечника, характеризуются наличием низкочастотных резонансных пиков.
Накопление данных, получаемых по описанным методикам, создает возможность установки вибрационных критериев технического состояния составных частей статора с точки зрения возможности его надежного функционирования. Кроме того, открываются возможности в решении задачи оценки остаточного ресурса работоспособности составных частей статора на каждый момент очередного контроля за их состоянием.
Оценка состояния плотности прессовки активной стали статора ультразвуковым, методом. Опыт эксплуатации показывает, что значительные разрушения зубцовых зон крайних пакетов активной стали сердечников статора могут привести к тяжелым авариям генераторов вследствие повреждения корпусной изоляции обмотки статора. Эффективность ремонта зубцовой зоны крайних пакетов и их повреждаемость зависят от эксплуатационного состояния статора и, в частности, от плотности прессовки на спинке активной стали.
В основу ультразвукового метода контроля положена экспериментально установленная на модели зубца с регулируемым давлением прессования устойчивая зависимость скорости распространения ультразвуковых колебаний поперек шихтованных пакетов от усилия поджатия. Зависимость скорости звука от давления прессования определяется конструктивными параметрами активной стали (такими, как толщина пакета, соотношение площадей зубца и вентиляционных распорок, наличие шлицов в зубцах крайних пакетов) и сплошностью пакетов. Под сплошностью пакета понимается степень заполнения воздушных полостей между листами активной стали, образованных микронеровностями лакированных поверхностей сегментов. Существенное повышение сплошности происходит при запечке пакетов, набранных из промазанных клеем лакированных листов, а также при запечке всего сердечника, набранного из листов активной стали, не прошедших огневую сушку после последнего нанесения лакового слоя. В процессе эксплуатации увеличение сплошности происходит за счет упруго-вязкого течения лаковой пленки, диффузии лака, замасливания сердечника.
Основными параметрами, определяемыми в процессе ультразвукового обследования активной стали, являются: соотношение числа плотных, склонных к ослаблению, ослабленных и разрушенных зубцов крайних пакетов; наличие подвижных нажимных пальцев, зазоров между пальцами и поверхностью коронки зубцов, ослабленного прилегания пальцев; значение давления прессования на спинке активной стали; влияние режимов работы на состояние плотности прессовки.
Предлагаемая методика рекомендуется в эксплуатации при решении таких задач, как оценка технического состояния активной стали, ремонтопригодности и качества проведенного ремонта зубцов крайних пакетов; определение допустимых режимов работы и оптимизация ремонтного обслуживания ТГ; принятие решения о замене обмотки статора, продление срока службы или очередности и сроках замен статоров ТГ, выработавших свой ресурс, с учетом состояния плотности прессовки активной стали.
Многие фирмы применяют механогидравлический метод контроля. Достоинством этого метода является то, что он не только указывает на сам факт ослабления прессовки зубца сердечника, но и показывает, какой толщины клин должен быть использован для устранения ослабления прессовки.
Контроль наличия замыканий листов активной стали статора электромагнитным методом. Замыкания листов активной стали приводят к повышенным местным нагревам статора, ускоренному тепловому старению и повреждению изоляции обмотки статора, выгоранию железа статора. Среди основных причин замыканий листов активной стали наиболее часто встречаются следующие: попадание постороннего предмета в расточку статора; разрушение из- за вибрации и старение изоляционных лаковых пленок, покрывающих листы активной стали; неудовлетворительное качество проведения ремонтных работ. В настоящее время из-за распространения режимов недовозбуждения чаще встречаются замыкания листов активной стали, обусловленные разрушением зубцов крайних пакетов.
Как правило, в соответствии с нормами испытаний электрооборудования местные замыкания листов активной стали выявляются при испытаниях на потери и нагрев методом кольцевого намагничивания с индукцией, близкой к рабочим значениям 1-1,4. Тл. При этом наличие замыканий соседних листов вызывает значительные циркуляционные токи в поврежденном участке и выделение тепла, приводящее к локальному разогреву сердечника в зоне повреждения. Дефектные участки активной стали, имеющие повышенный нагрев, определяются путем ощупывания расточки статора, измерения температур с помощью термометров, термопар, пирометров, тепловизоров. Однако результаты контроля сильно зависят От навыков и тщательности исполнителей; кроме того, при возникновении замыканий в глубине зубца или устранении массовых повреждений расточки посторонним предметом, такой подход недостаточно эффективен.
В последние годы в России и за рубежом все большее распространение получают электромагнитные, методы контроля состояния активной стали при кольцевом намагничивании с низкой индукцией, обладающие более высокой чувствительностью, несложным измерительным устройством, малыми трудовыми и энергозатратами.
Одна из модификаций электромагнитного метода основана на локализации магнитного потока, вытесняемого из активной стали в случае образования местных контуров замыкания. Для создания потока в активной стали используется намагничивающая обмотка, обеспечивающая кольцевое намагничивание с индукцией 0,02-0,04 Тл. В качества датчика, сканирующего расточку, используется магнитный потенциометр, подключаемый к схеме измерения сдвига фазы между общим потоком и падением магнитного потенциала в месте дефекта Оценка результатов контроля базируется на накопленном опыте контроля генераторов на электростанциях, сопоставлении результатов испытаний активной стали сердечников статоров, полученных традиционным методом и модифицированным методом.
Замыкание листов активной стали - это дефект, развивающийся в процессе работы достаточно медленно. Поэтому, выявляя эти дефекты на ранней стадии, используя электронную архивацию результатов контроля, появляется возможность отслеживать развитие этого
дефекта, проводя измерения при остановках генератора для осмотров или ремонтов, особенно если эту операцию контроля можно проводить без вывода ротора.
Диагностика дефектов изоляции и токоведущих частей обмоток статора. Рассмотренные далее методы объединены общим подходом - электромагнитные проявления дефектов фиксируются и измеряются в радиочастотном диапазоне.
Выявление дефектов в пазовой части обмотки Чаще всего здесь проявляются следующие дефекты: ослабление заклиновки, вибрация стержней, истирание противокоронного покрытия и изоляции, коронирование и появление пазовых разрядов; расслоение изоляции вследствие теплового старения, возникновение внутренних разрядов;
обрывы и замыкания элементарных проводников, искрения и микродуги;
трещины полых элементарных проводников, течи, увлажнение изоляции;
трещины, продавливание изоляции, сверление ее посторонними ферромагнитными предметами.
В последнем случае появление разрядов маловероятно, но именно эти дефекты выявляются при высоковольтных профилактических испытаниях, так как электрическая прочность изоляции существенно снижается. В остальных приведенных случаях появление дефектов не вызывает немедленного снижения прочности, поэтому их выявление при высоковольтных испытаниях проблематично. Определить наличие дефектов, оценить работоспособность отдельных стержней (катушек) обмотки, необходимость ремонта или замены элементов обмотки позволяет метод контроля разрядов по пазам статора.
Датчики индуктивного типа устанавливаются по концам проверяемого паза, в качестве измерительного прибора используется специальный микровольтметр или осциллограф. Катушки датчиков включены встречно, поэтому подобно дифзащите они реагируют только на дефект, находящийся между ними сближая датчики вдоль паза, можно точно определить место дефекта. Для оценки изоляции на обмотку статора пофазно подается напряжение 50 Гц от постороннего источника, значение напряжения не выше фазного. Если требуется проконтролировать токоведущие части, то обмотка нагружается допустимым по нагреву током. Обученный оператор, имея типовые осциллограммы сигналов, может определить характер дефекта и его опасность для обмотки, наметить мероприятия по устранению повреждения.
Выявление дефектов в лобовых частях.
Здесь наиболее типичными являются следующие дефекты;
ослабление креплений, вибрация, истирание изоляции, коронирование;
изломы элементарных проводников на выходе из паза или в головках, появление искрений и микродуг;
трещины в полых проводниках, течи, увлажнение изоляции, скользящие разряды;
замасливание и загрязнение изоляции, коронирование;
плохо подобранное противокоронное покрытие изоляции, коронирование.
Если дефект изоляции лобовых частей не сопровождается разрядами, то он не представляет опасности на данный момент, так как отсутствие разрядов означает малую напряженность электрического поля в месте дефекта а соответственно малую вероятность пробоя.
В схему локации дефектов входит локатор, представляющий емкостную антенну с параболическим конденсором, широкополосный усилитель с предельной частотой усиления 100 МГц, интегратор и стрелочный индикатор. Высокая чувствительность и направленность антенны локатора обеспечивают как выявление дефекта, так и определение его местонахождения.
Для выявления дефектов изоляции на обмотку статора от постороннего источника пофазно подается напряжение 50 Гц значением не больше фазного. Дефекты токоведущих частей определяются при нагружении обмотки допустимым током.
Подобные испытания с использованием датчиков различного типа успешно проводятся за рубежом.
Диагностика состояний ротора.
В исследованиях по проблеме технической диагностики состояния металла роторного узла в период планового обслуживания активно разрабатываются три направления;
оценка остаточного ресурса валов роторов турбогенераторов, отработавших расчетный срок службы;
экспериментальное определение посадочного натяга контактных колец;
контроль бандажных колец на наличие микротрещин на внутренней поверхности без съема ротора.
Для неразрушающего контроля состояния вала используется комплексное сравнительное исследование структурно-фазовых характеристик наиболее нагруженных и ненагруженных участков поверхности валопровода путем снятия и обработки на ПЭВМ дифрактограмм и их сравнения. В качестве вспомогательного используется контроль микротвердости материала валопровода на тех же участках. Устройство состоит из рентгенодифракционной головки на базе 70-градусного позиционно-чувствительного детектора, источника рентгеновского излучения, многоканального анализатора импульсов, программного комплексе и ПЭВМ.
Дифрактометрическое устройство - двухканальный индикатор механических напряжений в комплекте с ПЭВМ - используется для экспериментального определения остаточных напряжений - величины посадочного натяга контактных колец. Индикатор механических напряжений реализует sin - метод, основанный на линейной зависимости деформации от синуса квадрата угла между перпендикуляром к поверхности объекта и биссектрисой угла, образованного падающим и дифракционным лучами. Установка дифракционной головки на поверхность объекта производится так, чтобы фокусирующая поверхность была касательной к ней. В конструкции дифрактометрического устройства используются два источника рентгеновского излучения и снимаются две дифрактограммы. Метод двух съемок позволяет получить данные для определения напряженного состояния элемента конструкции.
Основным дефектом бандажных колец является коррозионное растрескивание на внутренней поверхности из-за высоких постоянных напряжений растяжения, вызванных горячен посадкой на вал, и склонностью применяемых сталей к коррозионному растрескиванию в условиях длительного воздействия влаги.
Контроль за состоянием внутренней поверхности бандажных колец производится обычно методом цветной дефектоскопий очищенной поверхности после выемки ротора и снятия бандажа.
Единственным методом, позволяющим проводить контроль внутренней поверхности бандажных колец без снятия с вала ротора, является метод ультразвуковой дефектоскопии. В состав автоматизированной системы ультразвукового контроля входят устройство формирования лоцирующих импульсов и первичного
преобразования отраженных эхо-сигналов, устройство для перемещения ультразвукового датчика по наружной поверхности бандажного кольца (сканер), блок управления шаговыми двигателями устройства сканирования, компьютер со встроенным быстродействующим аналого-цифровым преобразователем.
Контроль бандажных колец на автоматизированной установке позволяет с высокой чувствительностью выявлять различные дефекты, выполнять анализ и классификацию полученных данных, графически интерпретировать результаты, проводить их статистическую обработку. После накопления статистических данных создаются условия контроля бандажных колец без снятия с ротора на протяжении всего срока эксплуатации.
Организация эксплуатации и контроля состояния турбогенераторов с полным водяным охлаждением за рубежом (Швеция, Финляндия). Система эксплуатации и профилактическое обслуживание генераторов тщательно проработаны совместно поставщиком и потребителем.
Все генераторы снабжены устройствами непрерывного контроля температуры обмотки, сердечника, охлаждающего воздуха, охлаждающей воды, масла в подшипниках и металлоконструкций контролируются непрерывно вибрации подшипников и лобовых частей обмотки статора, влажность в генераторе, в некоторых случаях применяется монитор состояния сердечника.
При периодических ревизиях состояние генераторе определяется многими диагностическими методами, в число которых входят: визуальный контроль при осмотрах;
диагностические измерения изоляции обмотки статора, в том числе измерения сопротивления изоляции, тангенса угла диэлектрических потерь, энергии разрядов в обмотке статора;
испытания обмоток статора и ротора повышенным напряжением; ультразвуковое обследование бочки ротора, клиньев обмотки ротора, бандажных колец, металла подшипников;
контроль межлистовой изоляции сердечника с помощью аппарата EICID, выявляющего возможные точки нагрева в статоре.
Для того чтобы проводить ревизию без выемки ротора, разработана специальная диагностическая система KUDAR с транспортирующим устройством, передвигающим монитор вдоль пазов статора в воздушном зазоре. Монитор содержит миниатюрную видеокамеру, набор ультразвуковых датчиков, головку устройства EICID для контроля состояния стали сердечника, испытательное устройство для проверки плотности заклиновки. Результаты обследования записываются на оптический диск или видеоленту и в дальнейшем используются для сравнения.
Проведение обследований строго регламентировано, ведется стандартный бланк протокола с кодами операций и узлов генераторов. В общей базе данных собраны сведения о всех обследованиях партии генераторов, что обеспечивает полную обратную связь при организации прогнозирующей профилактики.
