ГРЕБЕННИК В.С.Г канд. техн. наук, отделение измерительной техники ВТИ
На энергопредприятиях в соответствии с правилами технической эксплуатации проводится диагностический контроль металла эксплуатируемого оборудования.
Во Всероссийском теплотехническом институте, который является базовой организацией отрасли по измерениям, обеспечивающим эксплуатацию теплотехнического оборудования, в 1989—1995 гг. был разработан комплекс методов, средств и нормативно-технических документов для метрологического обеспечения неразрушающего контроля ответственного оборудования. По инициативе специалистов ВТИ была создана также взаимосвязанная с получаемыми данными автоматизированная система учета и подготовки результатов контроля, предназначаемых для использования в системе периодического контроля и продления ресурса оборудования.
Организация ручного контроля металла и требования к персоналу
Руководящий документ РД 34.17.427-89 "Методические указания. Контроль неразрушающий на ТЭС. Общие требования" содержит практические рекомендации, соблюдение которых оптимизирует "цепочку" дефектоскопические средства — оператор неразрушающего контроля — измерительные данные — принятие решения, уточняет требования к персоналу. В частности, специалисты, проводящие на ТЭС работы по неразрушающему контролю металла, должны иметь образование (среднее, среднетехническое, высшее), подтверждаемое соответствующим документом, теоретическую и практическую подготовку, а также стаж практической работы по данному виду неразрушающего контроля. Дополнительно, они должны пройти аттестацию на один из трех уровней квалификации в соответствии с требованиями "Правил аттестации специалистов неразрушающего контроля", утвержденных Госгортехнадзором России.
Кроме того, обязательным условием допуска к выполнению работ по неразрушающему контролю является знание специалистом инструкций и правил безопасности труда, наличие медицинской справки об отсутствии противопоказаний для выполнения работ по неразрушающему контролю. Специалисты I уровня квалификации ведут на энергопредприятиях работы без права выдачи заключения о качестве оборудования или трубопроводов, специалисты не ниже II уровня квалификации имеют право проводить контроль с выдачей заключения.
Аттестация специалистов неразрушающего контроля на ТЭС осуществляется в соответствии с разработанными при участии ВТИ "Методическими указаниями по подготовке и аттестации в электроэнергетике специалистов по не разрушающему контролю", утвержденными РАО "ЕЭС России". В соответствии с действующим РД 34.17.427-89 разрешение на выполнение работ по неразрушающему контролю на электростанции (предприятии) выдает директор или главный инженер предприятия. Специалисты ТЭС, подписавшие заключение о результатах контроля, несут ответственность за их правильность (п. 4.7 "Извещения № 1 РД 34.17.427-89").
На ТЭС специалисты неразрушающего контроля являются важной составной частью приборно-человеческого измерительного комплекса, оперативные характеристики которого влияют на достоверность результатов контроля.
Объективность полученных характеристик подтверждается разработанной в ВТИ специализированной экспертной системой проверки квалификационной готовности специалистов. Она реализуется с помощью компьютера и десяти программных модулей на дискетах (суммарный объем около 1 Мбайт). Указанные модули применимы и для аттестации, и для подготовки специалистов N уровня квалификации (по шкале Госгортехнадзора РФ) на учебных комбинатах энергопредприятий.
Практическое испытание специалистов по неразрушающему контролю осуществляется в настоящее время с помощью металлических образцов с заранее изготовленными известными дефектами. Однако результаты таких испытании недостаточно объективны, так как выбор образцов ограничен. Испытания на элементах действующего оборудования требуют затем весьма трудоемких металлографических исследований, подтверждающих, что обнаружены все дефекты, расположение, ориентация и размер которых заранее неизвестны.
Использование тренажера ТУ31-ВТИ с программируемыми условиями практических испытаний (координаты, размер, число, тип дефектов, траектория сканирования, наклон сканируемой поверхности и др. ) позволяет вырабатывать и поддерживать оптимальные практические навыки, гарантируя достоверность результатов контроля.
Исключение субъективных ошибок значительно повышает достоверность данных неразрушающего контроля, позволяет оптимизировать планы периодического обследования оборудования и повысить надежность прогноза ресурса эксплуатируемого оборудования.
Автоматизация учета результатов контроля
Отраслевая инструкция РД 34.17.421-92 предписывает проводить контроль металла оборудования периодически через 50— 100 тыс. ч работы, а также с целью продлений паркового ресурса (п. 1.1). Результаты контроля должны быть сведены а таблицы (по формам на стр. 79—84 Инструкции) с указанием года проведения контроля, сведении о конструкции и эксплуатации контролируемого объекта, параметров метода контроля и измерительных данных о дефектах (до 14 столбцов) для каждой строки.
Под научным руководством ВТИ разработана автоматизированная система учета упомянутых сведении с применением персонального компьютера. Система обеспечивает:
типовой учет и хранение их в виде специализированной базы данных "МЕТАЛЛ", построение индексных таблиц, роиск данных по любому полю таблицы, выборку, подготовку и распечатку результатов в таблицы установленной формы.
Реализуется эта система с помощью программного модуля "МЕТАЛЛ", управляющие программы которого занимают всего 120 Кбайт и независимы от известных коммерческих баз данных. Он управляется одним лаборантом по обычным правилам делопроизводства. Таблицы вызываются на дисплей компьютера в "естественной" форме, защищенной от повреждения при вводе данных. Для использования описываемой базы данных не требуется изучать какой-либо компьютерный язык. Предусмотрена возможность хранения в этой же базе данных дополнительных сведений, например заключений (протоколов) о контроле металла отдельных элементов оборудования.
Внедрение автоматизированной системы упрощает подготовку требуемых документов, повышает их качество, снижает затраты труда, дает экономию бумаги, способствует унификации результатов контроля в отрасли, совершенствованию контроля, открывает новые возможности для сопоставительного экспресс-анализа повреждаемости металла на ТЭС с целью оптимального обоснованного планирования работ.
Эталонирование средств неразрушающего контроля
Обнаружение скрытых дефектов при периодическом контроле, в пределах паркового ресурса, а также после его исчерпания, выполняется с помощью ручных методов ультразвукового контроля (РД 34.17.421-92), поэтому основное внимание было уделено этим методам.
Ультразвуковые преобразователи быстро изнашиваются и в условиях ТЭС неоднократно подвергаются восстановительному ремонту. Наряду с серийными применяются и специально изготовленные нестандартные преобразователи. Все преобразователи после изготовления и ремонта должны быть аттестованы.
Для ведомственной аттестации и поверки указанных преобразователей в ВТИ были разработаны новые методы и специальные отраслевые образцы типа ОСО1 —ОСОБ.
Маркировка Измеряемые
образца параметры
ОСО1.............. Условная чувствительность, разрешающая способность, диапазон контроля, отношение сигнал-шум
ОСО2.............. Абсолютная, условная и предельная чувствительность, угол ввода луча, ширина диаграммы направленности, мертвая зона, погрешность шкал расстояний (дня малоуглеродистой стали), отношение сигнал-шум, номинальный уровень эхо-сигнала
ОСОЗ.............. Точка выхода луча, стрела преобразователя, время задержки ультразвука
ОСО4. Эффективная частота ультразвуковых колебаний, лучевая разрешающая способность, отклонение плоскости ввода
ОСО5. Тарировочная характеристика
Новые методы (РД 34.17.39-94) и средства измерения основных параметров ультразвуковых преобразователей, применяемых для контроля сварных соединений оборудования ТЭС, удовлетворяют требованиям ГОСТ 14782-86 и повышают точность определения основных параметров контроля. В частности, впервые предложены и реализованы технические решения, позволяющие достоверно определить угол ввода ультразвука и гарантированную тарировочную кривую амплитуда — размер компактного углового дефекта для преобразователей, которые имеют радиусную контактную поверхность.
Совершенствование методов определения параметров контроля
Повышение точности определения угла ввода ультразвукового луча (УЗ-луча) важно не только для обеспечения воспроизводимости результатов контроля, но и для ремонта оборудования по данным ультразвукового контроля. Известные ранее методы не обеспечивали возможность достаточно точного определения этого параметра в случае применения преобразователей с фасонной контактной поверхностью.
Предлагаемая методика предназначена для измерения угла ввода УЗ-луча в случае использования призматических преобразователей с радиусной контактной поверхностью. Она соответствует требованиям ГОСТ 14782-86, повышая точность и удобство измерений, благодаря исключению двух ошибок параллакса, допускаемых при ручной разметке боковой стенки преобразователя для нанесения точки выхода луча и при визуальном отсчете угла по метке, удаленной от шкалы. Кроме того, погрешность снижается при использовании специального устройства для измерения времени прихода эхо-сигналов, которое имеется в современных дефектоскопах (с ценой деления шкалы 0,01 — 0,1 мкс), а также благодаря улучшению условий выполнения измерения. Методика пригодна также для преобразователей с плоской контактной поверхностью.
Первый вариант методики предназначен для контроля продольных дефектов сварных соединений. Для этой цели используют образцы 0С02 и ОСОЗ. Установив преобразователь на одну из рабочих поверхностей образца Ns 2, получают максимальный эхо- сигнал от отверстия диаметром d на глубине Н от рабочей поверхности образца. Измеряют время t\ прихода этого сигнала. Аналогично получают максимальный эхо-сигнал от цилиндрической диаметра D поверхности образца Ns 3 и измеряют время t2 прихода сигнала. Искомый угол
где с — скорость УЗ-луча в образцах.
Угол можно также определить из графика на рис. 1.
Рис. 1. Зависимость угла ввода УЗ-луча от разности времени прихода эхо-сигнала (образцы ОСО2 и ОСОЗ, D = 110 мм, d — 6 мм) при различной глубине отражателя:
1 — на глубине 15 мм; 2 — на глубине 44 мм
Второй вариант методики используют для контроля поперечных дефектов сварных соединений. Для этой цели применяют образец Ns 3 по ГОСТ 14782-86. Устанавливают преобразователь так, как показано на схеме рис. 2, а, чтобы получить максимальный эхо-сигнал от плоской диаметральной грани. Измеряют время t прихода этого сигнала. Искомый угол
(2)
где f3 — время задержки ультразвука в призме преобразователя по ГОСТ 14782-86.
Угол а в этом случае можно определить также из графика рис. 2, б. Возможна модификация второго варианта (схема на рис. 2, 6), когда угол находят, измеряя время прихода двух максимальных сигналов (второй — соответствует двугранному углу между диаметральной гранью и цилиндрической поверхностью образца). Формула очевидна из чертежа на рис. 2, б.
Рис. 2. Способ определения угла ввода УЗ-луча на образце ОСОЗ: а — схема установки преобразователя для получения максимального эхо-сигнала от плоской диаметральной грани; б — схема определения угла ввода УЗ-луча по времени прихода двух максимальных сигналов; в — зависимость угла ввода УЗ-луча от времени его распространения
Искомый угол
(3)
где t4 — время прихода эхо-сигнала от двугранного угла.
Для увеличения амплитуды эхо-сигнала, соответствующего времени f4 (это улучшает условия измерений), на образце может быть выполнена дополнительная отражающая грань, как показано пунктиром на рис. 2, 6. При этом в формулу (3) включают дополнительные члены.
Разработка универсальных корректирующих АРД-диаграмм
Нормативно-техническими документами предусматривается корректировка поискового, контрольного и браковочного уровней в зависимости от глубины расположения дефектов при ультразвуковой дефектоскопии металла оборудования ответственного назначения с учетом фактических параметров преобразователей.
В ОП501ЦД75 даны неполные АРД-таблицы для серийных преобразователей, часть которых уже снята с производства. В практике применяют преобразователи, не имеющие достоверных диаграмм. При этом для передачи уровней используют специально изготовленные для изделия образцы.
Специалистами ВТИ и заинтересованных организаций для быстрого расчета зависимости амплитуды сигнала от расстояния до дефекта разработан компьютерный модуль "СПРИНТ". С его помощью строятся соответствующие АРД-кривые в увеличенном масштабе (на весь экран персонального компьютера), оцифровываются шкалы, выводится сетка (шаг 2 дБ по вертикали для амплитуды сигнала от 0 до 8 дБ) для расстояний от 1 до 1000 (по глубине или лучу).
Для получения диаграмм указывают с помощью одностраничного меню исходные характеристики наиболее распространенных совмещенных преобразователей: размеры, формы пьезоэлемента, частота колебаний, скорость и затухание ультразвука, его задержка в призме, эквивалентные диаметры трех отражателей, а также альтернативный аргумент на горизонтальной оси (расстояние по лучу или по глубине).
В модуле предусмотрена возможность корректировки входных данных закаленного меню (без необходимости возврата в начало и повторного его заполнения) перед расчетом и построением диаграмм.
Диаграмма содержит четыре кривые, из которых три соответствуют указанным в меню эквивалентным диаметрам и одна — "донному" эхо-сигналу (например, стандартного образца Ns 3).
Создаваемые модулем "СПРИНТ" диаграммы совпадают с известными представительными данными (отклонение менее 1 дБ от паспортных диаграмм преобразователей фирмы "Крауткремер" с параметрами 0, 35, 45, 50, 60, 70, 80 град.; 1, 2, 4 МГц; форма пьезоэлементов — круг или прямоугольник; эквивалентный диаметр отражателей — от 0,5 до 24 мм).
Пример разработки рекомендаций.
Измерительные процедуры контроля гибов на ТЭС изложены в действующей отраслевой инструкции по дефектоскопии гибов труб (И№-23СД-80) для ультразвуковых дефектоскопов УДМ и ДУК. В настоящее время на ТЭС ультразвуковой контроль гибов выполняется преимущественно современными приборами общего назначения УД2-12.
В соответствии с приказом № 78 от 08.04.94 г. и согласованным с Госстандартом России (1994 г.) Положением о метрологической службе РАО "ЕЭС России" ВТИ подготовил руководство по выполнению измерений дефектоскопом УД2-12 при контроле труб. Это технологическое руководство оформлено в виде детальной инструкции для рабочих-дефектоскопистов.
Оно основано на анализе функций влияния параметров контролируемого объекта на измерительные данные при ультразвуковом контроле гибов труб и содержит рекомендации о повышении точности физических измерений в условиях ТЭС.
Применение инструкции предотвратит недобраковку гибов по опасным дефектам, а также поможет избежать ошибочной выбраковки гибов.
