ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Мобильный металлографический микроскоп
И. О. Лейпунский, А. Н. Горбачев
В современной отечественной энергетике прежде всего необходимо определение микроповрежденности металла элементов паропроводов, котлов и турбин, эксплуатируемых в условиях ползучести.
Микроповрежденность металла указанных элементов является одним из основных критериев, определяющих их остаточный ресурс и регламент эксплуатационного контроля.
В тех случаях, когда имеется запас по толщине стенки элемента, например, паропровода, современные технологии позволяют отобрать из определенной зоны микрообразец толщиной в несколько миллиметров и провести необходимые исследования в лабораторных условиях. Наиболее совершенной технологией для решения таких задач является электроэрозионная выборка микрообразцов, созданная Отраслевой Службой «Живучесть ТЭС» РАО «ЕЭС России».
В тех же случаях, когда для выборки микрообразцов стенка исследуемого трубопровода недостаточна по толщине, для достоверного прогноза ресурса необходимо найти участок паропровода или другого элемента энергооборудования с наиболее поврежденной структурой металла.
Наиболее часто для определения степени микроповрежденности металла непосредственно на оборудовании используется технология металлографических реплик, исследование которых проводится в лабораторных условиях.
Металлографические исследования структуры металла на элементах оборудования существенно упрощаются при наличии мобильного металлографического микроскопа, конструкция которого позволяла бы использовать его как для определения качества шлифов, подготовленных для получения реплик, так и для исследования металлографических шлифов непосредственно на оборудовании.
В 60-х гг. XX в. ЛОМО выпускался переносной микроскоп ММУ-3, который, несмотря на значительную массу, отсутствие системы юстировки и системы крепления микроскопа на паропроводах, успешно используется до сих пор на многих ТЭС.
Позднее на базе серийных отечественных микроскопов были разработаны различные конструкции переносных микроскопов, существенно более удобные в эксплуатации, чем ММУ-3.
Особо следует отметить удачные разработки ОАО «Фирма ОРГРЭС» и Уралтехэнерго, специально предназначенные для контроля металла трубопроводов ТЭС.
Рис. П3.1. Внешний вид микроскопа
Для документирования изображений шлифов используются фотоприставки, а в последние годы — цифровые фотоаппараты или видеокамеры.
Разработка переносных микроскопов проводилась ОС «ЖивучестьТЭС» совместно с ИНЭПХФ РАН с 1997 г. Описываемая в настоящей работе конструкция более года испытывалась на Костромской, Рязанской и Ставропольской ГРЭС.
Целью разработки являлось создание малогабаритного мобильного микроскопа для проведения металлографических исследований шлифов в режиме светлого поля непосредственно на оборудовании с видеодокументацией изображений и их компьютерной обработкой для статистически достоверного определения степени повреждения структуры металла паропроводов, эксплуатируемых в условиях ползучести. Внешний вид микроскопа приведен на рис. П3.1. Масса микроскопа без видеокамеры составляет 2,5 кг, а с видеокамерой — 3,1 кг. Габаритные размеры без видеокамеры 200 х 200 х 100 мм.
Микроскоп может использоваться в режиме как традиционной металлографии (наблюдение изображений через окуляр), так и видеомикроскопа (наблюдение изображения на экране специального монитора или переносного компьютера).
Микроскоп построен по традиционной оптической схеме с минимальным количеством элементов (объектив, полупрозрачное зеркало, однолинзовый осветитель, окуляр или видеокамера). Микроскоп снабжается сменной оптикой, обеспечивающей возможность визуального исследования поверхности при увеличениях х90 и х400.
В качестве объективов и окуляров используются отечественные детали производства ЛОМО (объективы х9 и х40, окуляр х10) или зарубежного производства, соответствующие стандарту DIN.
Объектив х9 применяется для определения структуры металла. Диаметр поля зрения при наблюдении в окуляр составляет 1800 мкм, при работе с видеокамерой поле зрения составляет 730 х 530 мкм.
Объектив х40 применяется для исследования микроповрежденности. Диаметр поля зрения при наблюдении в окуляр составляет 380 мкм, при работе с видеокамерой поле зрения 130 х 90 мкм.
Данные по размерам полей зрения приведены для видеокамеры с приемной матрицей 1/2".
Оптическое разрешение микроскопа ограничивается дифракционными явлениями в объективе.
Максимальная разрешающая способность микроскопа:
где λ — длина волны света, освещающего исследуемый образец, А — численная апертура объектива.
Для объективов х40 как зарубежного, так и отечественного производства А — 0,65. Принимая λ = 0,5 (зелено-голубой свет), получим, что предельное разрешение микроскопа может достигать 0,4 мкм. Экспериментально установлено (в качестве тест-объекта использовалась дифракционная решетка), что разрешение разработанного микроскопа не хуже 1 мкм.
При использовании видеокамеры с матрицей 1/2" поле зрения при максимальном увеличении равно 130 х 90 мкм. Следовательно, для реализации теоретически возможного разрешения достаточно иметь фотоприемник, содержащий не менее 325 х 225 пикселей. Этому требованию удовлетворяют широко распространенные видеокамеры для охранных систем и видеоконференций, в которых используются, как минимум, матрицы 640 х 480 пикселей.
При разработке конструкции оптической трубки микроскопа были приняты специальные меры для исключения рассеяния света на внутренних поверхностях системы. Благодаря этому контрастность изображений металлографических шлифов на переносном микроскопе не хуже, чем на стационарных металлографических микроскопах производства ЛОМО.
Осветитель микроскопа сконструирован так, чтобы удовлетворять условиям Келлера. Оптическая схема осветителя содержит источник света, в качестве которого применяется светодиод, фокусирующую ахроматическую линзу и систему диафрагм.
Использование светодиодов с высокой яркостью и узкой диаграммой направленности дает возможность существенно упростить оптическую схему осветителя микроскопа. Узкий спектр излучения светодиодов позволяет исключить из конструкции микроскопа оптические фильтры и сводит к минимуму искажения изображения за счет хроматических аберраций. Отсутствие в спектре излучения светодиодов инфракрасного излучения улучшает качество видеоизображений.
Микроскоп комплектуется сменными светодиодами, излучающими белый, зеленый или синий цвета. Для работы в режиме видеомикроскопа оптимально использовать светодиоды с синим или зеленым цветом свечения.
Микроскоп собран на основании, опирающемся тремя упорами (один неподвижный и два регулируемых) на поверхность контролируемого изделия. Прижим микроскопа обеспечивается за счет постоянного магнита, смонтированного в центре платформы, и натяжного жгута. При установке микроскопа на поверхность трубопровода магнитно-силовые линии замыкаются через концы упоров. Натяжной жгут служит для дополнительной фиксации микроскопа. Этот жгут выполняет роль страховочного троса и исключает возможность падения микроскопа с контролируемого трубопровода. Система крепления микроскопа обеспечивает возможность контроля шлифа с любой пространственной ориентацией.
Регулируемые упоры позволяют установить оптическую ось микроскопа перпендикулярно изучаемому шлифу, а также служат для отрыва микроскопа с поверхности после завершения изучения шлифа. При вращении микрометрических винтов оптическая труба микроскопа может перемещаться в плоскости платформы во взаимно перпендикулярных направлениях в пределах ±10 мм по каждому направлению. Устройство фокусировки обеспечивает грубое перемещение оптической трубы микроскопа по нормали к плоскости основания на расстояние до 40 мм и тонкое перемещение в пределах 2 мм, со смещением 200 мкм на полный оборот винта точной фокусировки.
Для смены объектива труба микроскопа переводится в верхнее положение.
Как показал опыт работы, механизм фокусировки обладает достаточной точностью для наводки на резкость.
Питание осветителя микроскопа и видеокамеры проводится от встроенных батарей или аккумуляторов. Время непрерывной работы от свежезаряженных аккумуляторов составляет 40 ч в режиме визуального контроля или 4 ч в режиме видеомикроскопа. Для работы в лабораторных условиях предусмотрено питание от сети переменного напряжения 220 В. Микроскоп комплектуется зарядным устройством и двумя комплектами аккумуляторов.
Яркость освещения может регулироваться потенциометром, установленным на микроскопе.
Для предотвращения повреждений объектива при перемещении микроскопа или наводке на резкость микроскоп имеет звуковую сигнализацию при касании объективом поверхности исследуемого участка трубопровода.
В базовый комплект микроскопа входят приспособления для просмотра реплик и микрообразцов.
Запись изображений проводится на переносной компьютер типа «ноутбук».
Базовый комплект может быть дополнен следующими компонентами:
- оптоволоконная развязка между микроскопом и окуляром, позволяющая использовать микроскоп для визуального контроля в особо неудобных для оператора местах;
- миниатюрный телеэкран для облегчения наводки на резкость в режиме записи видеоизображений;
- комплект специализированного программного обеспечения для записи и обработки видеоизображений;
- компьютерный атлас типичных повреждений микроструктуры металлов элементов энергооборудования ТЭС.
Испытания микроскопа в лаборатории ОС «Живучесть ТЭС» и в производственных условиях Костромской, Рязанской и Ставропольской ГРЭС показали, что его использование значительно повышает производительность металлографических исследований на оборудовании ТЭС и увеличивает их достоверность.
Микроскоп выпускается малыми сериями ОС «Живучесть ТЭС».
