автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Вихретоковый контроль качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов

На правах рукописи

КОРОТЕЕВ Михаил Юрьевич

ВИХРЕТОКОВЫИ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ СТЕРЖНЕЙ СТАТОРНЫХ ОБМОТОК ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ

Специальность 05.11.13 — Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2014

005555595

005555595

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Потапов Анатолий Иванович

Официальные оппоненты:

Гордиенко Валерий Евгеньевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», проректор по научно-производственной деятельности

Назарычев Александр Николаевич доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ДПО «Петербургский энергетический институт повышения квалификации»,ректор

Ведущая организация- ФГАОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»

Защита диссертации состоится 8 октября 2014 г. в 14 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. № 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 18 июля 2014 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ < | Фокин

диссертационного совета у ' Андрей Сергеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. 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 финансовым потерям и отключению от энергоснабжения потребителей, 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, относительно нормируемого, в соединении стержней статора, приводит к существенному увеличению его сопротивления. Это приводит 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.

Для контроля качества паяных соединений стержней статор-ных обмоток турбогенераторов в настоящее время применяют как разрушающий, так и неразрушающий контроль (НК). Применение разрушающего контроля состоит в том, что рекомендуется разрубить две-три пайки и проверить качество пайки. Понятно, что этот метод приводит к серьезным материальным потерям. Он не допустим при ремонте оборудования и возможен только при его производстве в момент отладки технологии пайки. В настоящее время большее применение находит неразрушающий контроль. Магнитный вид НК не применим из-за того, что все применяемые в паяных соединениях материалы не магнитные (медь, различные типы припоев). Радиоволновый вид НК не применим из-за невозможности прохождения радиоволн внутрь объекта контроля (ОК) для обнаружения непропая. Контроль проникающими веществами также не применим из-за невозможности проникновения внутрь паяного соединения соответствующих веществ. Радиационный вид контроля

рассматривается в качестве рентгеновского контроля. Применение ограничено громоздкостью оборудования и невозможностью обнаружения тонких обширных по площади не пропаянных зон. Причем их невозможно обнаружить под любым углом расположения рентгеновской аппаратуры, а такие зоны в некоторых случаях очень опасны и пропуск таких дефектов недопустим. Оптический вид НКприменим только в варианте визуально-оптическом. В нормативных документах 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 пропуская через обмотку ток в течение 10-15 мин, контролируя температуру паек термопарами или (и) тепловизионными приборами. Недостатком данного вида контроля является необходимость пропускать слишком большие токи, а при уменьшении этих токов не хватает чувствительности измерительной аппаратуры. Электрический вид контроля применяется, используя метод сравнения сопротивлений паяных соединений постоянному току. Недостатком является невозможность обнаружения местного сосредоточенного дефектапайки на участке минимальной длины, обычно не отражающегося на величине сопротивления постоянному току. Акустический вид контроля рекомендован для применения как справочниками по ремонту, так и руководящими документами по испытаниям электрооборудования. Применение ультразвукового контроля ограничивается сильной неоднородностью и многослойностью паяных соединений, а также возможностью наличия не обнаруживаемых ультразвуком плоских воздушных образований толщиной 0,10,2 мм, расположенных продольно относительно направления распространения ультразвуковой волны.

Наиболее перспективным для контроля паяных соединений является применение методов вихретокового вида НК. Выбором параметров тока возбуждения и формой первичных измерительных преобразователей можно добиться проникновения вихревых токов по всему объему паяного соединения для получения интегральной оценки его качества.

Цель работы: повышение производительности и достоверности контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов путем применения вихретокового вида НК.

Идея работы: использование вихретокового экранного первичного измерительного преобразователя, содержащего экранированные обмотки, совместно со схемой, обеспечивающей измерение амплитуды и фазы вносимого напряжения, основанных на моделях распределения электромагнитного поля в ОК и в вихретоковых преобразователях (ВТП), позволяет эффективно осуществлять неразру-шающий контроль качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов.

Задачи исследования:

• анализ современного состояния методов и приборов НК паяных соединений турбогенераторов;

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

• разработка модели вихретокового первичного измерительного преобразователя и ОК с дефектами, имитирующими реальные;

• разработка способа выделения информативного параметра сигнала ВТП на фоне влияния мешающих параметров, позволяющего измерять степень монолитности паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов;

• изготовление и испытание разработанных средств НК паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов;

• внедрение результатов работы на промышленном предприятии.

Методы исследований.

Для расчета параметров ВТП использовался метод формализации. Для исследования взаимодействия ВТП и ОК использовались методы моделирования, в частности, метод конечных элементов. Исследование алгоритмов выделения информативного параметра сигнала ВТП проводилось с применением методов математического моделирования. Для получения сигналов с макетов ВТП на контрольных образцах использовались экспериментальные методы исследования.

Научная новизна работы:

1. Разработана модель вихретокового первичного измерительного преобразователя и ОК с дефектами, имитирующими реальные, позволяющая рассчитать чувствительность, а также оценить влияние основных мешающих параметров и погрешность измерения при контроле паяных соединений;

2. Разработан способ контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток электрических машин, отличающийся от известных тем, что в качестве информативного параметра сигнала ВТП используется его амплитуда, вычисленная относительно точки на комплексной плоскости, координаты которой определяются установленной закономерностью, обеспечивающей измерение степени монолитности с заданной погрешностью в заданных диапазонах девиации мешающих параметров;

3. Выполнен теоретический и экспериментальный анализ влияния 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;

4. Разработана метод контроля паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенератора с применением ВТП экранного типа, использующая в качестве контрольных образцов изделия рассчитанной формы, не содержащие элементарных проводников.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается результатами аналитических расчетов и моделирования методом конечных элементов, а также сходимостью с результатами экспериментальных исследований в лабораторных условиях и на контрольных образцах изделий.

Научные положения, выносимые на защиту:

1 .Разработана модель вихретокового экранного первичного измерительного преобразователя, содержащего экранированные обмотки, и объект контроля, которая учитывает влияние контролируемого и мешающих параметров, позволяет рассчитать чувствитель-

ность и достигаемую погрешность измерения монолитности паяного соединения, а также определить условие исключения недобраковки при заданном браковочном уровне;

2. Использование в качестве информативного параметра амплитуды сигнала вихретокового экранного преобразователя, вычисляемой относительно точки на комплексной плоскости, координаты которой определяются формой годографа сигнала преобразователя, обеспечивает подавление мешающих параметров и измерение степени монолитности с рассчитанной погрешностью в заданных диапазонах девиации мешающих параметров;

3. Разработан метод калибровки, контрольный образец со степенью монолитности 0 % без элементарных проводников и контрольный образец со степенью монолитности 100 % в виде цельного медного образца рассчитанной формы, обеспечивающие заданную погрешность и повторяемость измерений.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

• разработана совокупность средств неразрушающего контроля, предназначенная для измерения монолитностипаянных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов;

• разработан алгоритм обработки сигнала первичного измерительного преобразователя на фоне воздействия мешающих параметров при проведении измерения монолитности паяных соединений вихретоковым видом НК;

• разработаны контрольные образцы паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов;

• обеспечено серийное производство вихретоковых средств НК паяных соединений.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Результаты диссертационной работы могут быть рекомендованы к внедрению на предприятиях-изготовителях турбогенераторов, а так же на предприятиях, обслуживающих указанную продук-цию.Помимо этого результаты диссертационной работы могут быть применены для разработки средств вихретокового контроля сварных соединений токоведущих проводников обмоток роторов турбогенераторов, а также паяных соединений электрических двигателей.

Личный вклад автора:

• предложено и обосновано применение вихретокового экранного первичного измерительного преобразователя, содержащего экранированные обмотки;

• разработан алгоритм обработки сигнала первичного измерительного преобразователя, обеспечивающий измерение монолитности в широком диапазоне девиации мешающих параметров;

• предложены конструкция, технология изготовления контрольных образцов для проверки работоспособности и калибровки вихретоковых приборов измерения монолитности паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов;

• выполнены расчеты параметров вихретокового экранного первичного измерительного преобразователя, разработаны аналитическая и конечно-элементная модели взаимодействия вихретокового первичного измерительного преобразователя с ОК, получены зависимости сигналов от контролируемых и мешающих параметров.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях: «XIX Всероссийская научно-техническая конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике», Самара, 2011 г.; «ПВсеросийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Измерения, контроль и диагностика - 2012», Ижевск, 2012 г.; «Совещание Совета главных механиков нефтеперерабатывающих и нефтехим. предприятий», 2012 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 5 работ в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России. Имеется 2 патента.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 134 страницах. Содержит 61 рисунок, 5 таблиц и список литературы из 81 наименования.

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулирована идея диссертационной работы, на основании которой поставлены цель и основные задачи исследова-

ния, 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, обоснован выбор экранного первичного измерительного преобразователя, содержащего экранированные обмотки, предложены расчета о-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 ста-торных обмоток турбогенераторов, а также степень их влияния на результаты контроля. Выбран информативный параметр сигнала ВТП, предложен алгоритм обработки сигнала ВТП, обеспечивающий измерение монолитности в широком диапазоне девиации мешающих параметров.

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

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

На защиту выносятся следующие научные положения:

¡.Разработана модель вихретокового экранного первичного 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.

Объектом контроля (ОК) является головка стержня статорной обмотки турбогенератора, представляющая собой набор медных элементарных проводников, спаянных вместе внутри медного хомута. Проводники лужены мягким припоем, который занимает все свободное пространство под хомутом и между проводниками (Рисунок 1).

Для проведения контроля наиболее подходящим является вихретоковый вид НК с применением вихретоковых преобразователей (ВТП) экранного типа, так как при этом возможно производить контроль объектов относительно большой толщины, а чувствительность экранных ВТП к дефектам, расположенным на различной глубине ОК практически одинаковая.

А ,

80___

50 - -I А-А

А ' .......30

Рисунок 1 - Схематичное изображение головки стержня статорной обмотки турбогенератора. 1 - элементарные проводники; 2 - хомуг; 3 - припой При проведении контроля помимо контролируемого параметра (степени монолитности), влияние на сигналы ВТП оказывают мешающие параметры, которые можно условно разделить на группы:

- геометрические, связанные с взаимным расположением ВТП и ОК;

- геометрические, определяемые формой и размерами ОК;

- электромагнитные, характеризуемые свойствами материалов ОК.

Расчет сигналов ВТП произведен аналитическим методом и методом конечных элементов (МКЭ) с использованием одних и тех же данных. Для этого построена упрощенная модель ВТП и ОК(Рисунок 2).

В упрощенной модели по формулам (1-4)вычислено влияние на сигналы модели ВТП контролируемых параметров - удельной электрической проводимости и толщины ОК, и мешающего параметра - расстояния между обмотками ВТП. Влияние контролируемых и мешающих параметров, вычисленное с применением аналитической и конечно-элементной модели, отражено в виде годографов (Рисунок 3).

1т IТу /0Х о, ш -о2 о.) ■ 1) • ) ' (2)

где о1а)=£((1';!:;)1,(у)->-Ф',

(АМ).т(Х)2.(х+т(Х))2+

а))]+та)2-(>.2-та)2)'

+ (х-т(Х))(пШ2-Х-/иа))]-соз(5-/га))+па)3-(е2'5т^+1)5т(5п(Х)) х[(Х2-иа)2)-соз(2-5-«СХ))-2а.иа)5т(2-8 па))]+та)2-(Х2-та)2) '

(3)

(4)

где, т(Х)=

N

х4+р4+х2

■,п00=

N

х4+р4-х2

!1ср

= г,-

-'Чр о >" из

2-Я,

ср

2-Я'

2-й,

1 . '' » £=;

2-Я

ср

ср

/т и ■и0

— X

N

5у \ч \

\\

\ \\

\

2,

1

6, // /

у / / /

/ /

0.1 V

1, — 8

.1/ \к

ЛЫ

Рисунок 3 - Годографы сигналов аналитической и конечно-элементной моделей ВТП Обозначения линий, приведенных на рисунке 3, а так же диапазоны изменения параметров моделей приведены в таблице 1.

Обозначение линии Вычисляемый параметр Диапазон изменения параметра

Аналитическая модель МКЭ

5 1 Удельная электрическая проводимость материала ОК От 2 См/м до 59 МСм/м

6 2 Толщина ОК От 2 мм до 29 мм

7 3 Расстояние между обмотками ВТП при сток = 59 МСм/м От 35 мм до 45 мм

8 4 Расстояние между обмотками ВТП при сток = 30 МСм/м От 35 мм до 45 мм

Сравнительный анализ результатов вычислений, произведенных с использованием различных математических моделей, показы-

Рисунок2 - Упрощенная модель ОК и ВТП. 1 - обмотка возбуждения 1¥в: 2 - измерительная обмотка Щ^; 3 - ОК;^ = 0,019 м -

внутренний радиус обмотки возбуждения Л2= 0,0315 м - наружный радиус обмотки возбуждения 0,024 м - внутренний радиус измерительной обмот-

ки 1УИ; Я 2= 0,0315 м - наружный радиус измерительной обмотки Т= 0,028 м -толщина ОК; Яср= 0,04 м - расстояние между серединами обмотки возбуждения Ив и измерительной обмоткой 1= 0,005 м - высота обмотки возбуждения 1УВ-, 1' = 0,005 м - высота измерительной обмотки Щ, а = 58 МСм/м - удельная электропроводность меди.

Рисунок 4 - Полноценная конечно-элементная модель 1 - ОК;2 - экранированная обмотка возбуждения;3 - экранированная измерительная обмотка;4 - границы модели, где напряженность магнитного поля равна нулю.

!т (и„)

Ке (и..)

О 0,2 ОА 0,6

Рисунок5 - Годографы влияния толщины и глубины залегания тела, имитирующего дефект: 1 - годограф нормированного сигнала модели ВТП. соответствующий изменению удельной электропроводности ОК в диапазоне от 1 до 59 МСм/м; 2, 3 - годографы нормированного сигнала модели ВТП. соответствующие изменению толщины тела, имитирующего дефект ОК. в диапазоне от 1 до 21 мм. расположенного возле обмотки возбуждения и измерительной обмотки, соответственно; 4, 5, 6 - годографы нормированного сигнала модели ВТП. соответствующие изменению глубины расположения тела, имитирующего дефект ОК фиксированной толщины, 5, 10 и 15 мм, соответственно

I//77 (11т)

Яе ¡и„ )

0,3 ОА 0,5 0,6

Рисунокб - Годографы влияния геометрических мешающих параметров взаимного расположения модели ВТП и КОЛ - годограф нормированного сигнала модели ВТП, соответствующий изменению толщины тела, имитирующего дефект ОК, в диапазоне от 1 до 21 мм, расположенного возле обмотки возбуждения модели;2-годограф нормированного сигнала модели ВТП, соответствующий смещению модели ВТП относительно ОК вдоль оси модели ВТП в диапазоне от 0 до 11 мм;3 -годограф нормированного сигнала модели ВТП, соответствующий смещению модели ВТП вдоль оси X ОК, в диапазоне от 0 до 15 мм;4 - годографы нормированного сигнала модели ВТП, соответствующие смещению модели ВТП вдоль оси У ОК. 4.1 - в диапазоне от 0 до 15 мм, 4.2 - в диапазоне от -15 до 0 мм (см. рисунок 6);5 -годографы нормированного сигнала модели ВТП. соответствующий повороту модели ВТП вокруг осей X и У ОК в диапазоне от 0° до 9°.

АО^к:а

>т (1С)

Тд = 15 мм

Тд = 5 мм

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0.5 0,6 0,7 Рисунок7 - Годографы влияния геометрических мешающих параметров ОК, и расстояния между обмотками модели ВТП. 1 - годограф нормированного сигнала модели ВТП, соответствующий изменению толщины тела, имитирующего дефект ОК, в диапазоне от 1 до 21 мм, расположенного возле обмотки возбуждения;2 - годографы нормированного сигнала модели ВТП. соответствующие вариации толщины медного хомута ОК, в диапазоне от 2 до 4 мм;3 - годографы нормированного сигнала модели ВТП, соответствующие вариации ширины элементарных проводников, в диапазоне от 20 до 22 мм;4 - годографы нормированного сигнала модели ВТП, соответствующие изменению расстояния между обмотками модели ВТП, в диапазоне от 33 до 40 мм

0,8 0,6 0А 0,2 0

Гд, мм

О 5 10 15 20

Рисунок 8 - График зависимость амплитуды нормированного сигнала модели ВТП от толщины Тд тела, имитирующего дефект.

2 4 6 8 10 12 К Смещение ВТП вдоль оси X, мм

д, %

-20

Расстояние между обмотками ВТП, мм в)

Рисунок9 - Графики зависимости абсолютной дополнительной погрешности измерения от мешающих параметров при различном значении толщины 7дтела, имитирующего дефект: а) смещения ВТП вдоль оси X ОК; б) смещения ВТП вдоль оси У ОК; в) расстояния между обмотками ВТП

Смещение ВТП вдоль оси У, мм б)

вает высокую степень сходимости. Максимальная разница амплитуд напряжений составляет 0,09.

При эксплуатации ВТП на реальных ОК на результаты измерений оказывает влияние большое количество мешающих параметров. Помимо этого измеряемая величина оказывается многопарамет-ровой. Анализ упрощенной конечно-элементной модели позволяет убедиться в её применимости, но для решения некоторых практических задач этого не достаточно. Для решения указанных практических задач построена полноценная конечно-элементная модель ВТП и ОК с применением предложенной методики. На рисунке 4 приведено её графическое изображение.

С применением полноценной конечно-элементной модели рассчитано влияние контролируемых и мешающих параметров. Результаты вычислений приведены в виде годографов: рисунок 5 - годографы влияния толщины и глубины залегания непропая, рисунок 6 - годографы влияния геометрических мешающих параметров взаимного расположения модели ВТП и ОК, рисунок 7 - годографы влияния геометрических мешающих параметров ОК, и расстояния между обмотками модели ВТП.

Рассчитана чувствительность преобразователя к контролируемому параметру - толщине тела, имитирующего дефект, рисунок 8.

Рассчитана зависимость абсолютной дополнительной погрешности измерения возникающая вследствие отклонения мешающих параметров от их нормального значения, рисунок9.

Анализ влияния мешающих параметров (Рисунки 5-9), а так же результаты испытаний разработанного ВТП позволяют говорить о гарантируемой допускаемой погрешности измерения степени монолитности Л< ±5 %. Для обеспечения требований нормативных документов, указывающих минимальное допустимое значение степени монолитности 70 %, при контроле следует устанавливать браковочный уровень 75% для исключения недобраковки.

2. Использование в качестве информативного параметра амплитуды сигнала вихретокового экранного преобразователя, вычисляемой относительно точки на комплексной плоскости,

координаты которой определяются формой годографа сигнала преобразователя, обеспечивает подавление мешающих параметров и измерение степени монолитности с рассчитанной погрешностью в заданных диапазонах девиации мешающих параметров.

При применении в качестве информативного параметра сигнала вихретокового первичного измерительного преобразователя амплитуды наибольшей абсолютной дополнительной погрешностьюяв-ляется изменение геометрических мешающих параметров взаимного расположения ВТП и ОК. На рисунке Юуказаны годографы влияния контролируемого параметра и геометрических мешающих параметров взаимного расположения модели ВТП и контрольных образцов (КО). Годографы имеют различную направленность на комплексной плоскости, однако применить классические методы подавления мешающих параметров, поворотом реальной и мнимой осей, в данном случае не удается вследствие кривизны годографов контролируемого и мешающих параметров.Предлагается использовать рассчитываемую точку отсчетана комплексной плоскости, относительно которой вычисляется амплитуда сигнала ВТП.

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

Шаг 1. Определяется влияние мешающего параметра в заданном диапазоне контролируемого параметра (степень монолитности П от 0% до 100%) и в допускаемом диапазоне мешающего параметра (смещение преобразователя С относительно OK (от 0 мм до 10 мм): Определяются координаты точек (П; С): (100%; 0мм), (100% ;10 мм), (0%; 0мм), (0% ; 10 мм), фиолетовые точки на рисунке11.

Шаг 2. Строятся прямые линии, соединяющие эти точки, желтые линии на рисунке11. Определяются коэффициенты функций линий: Im=-a*Re-c по формулам:

а(100 %) = Im(1QQ %'»0 мм) ' Ьп(100 %; 10 мм) Re(l00 %; 0 мм) - Re(l 00 %; 10 мм) '

с(100 %) = -Ьп(100 %; 0 мм) -а(100 %) *Re(100 %; 0 мм) ,

- ¿.сСу&я

Рисунок 10 - Годографы влияния контролируемого параметра и геометрических мешающих параметров взаимного расположения модели ВТП и КО. 1.2,3 - линии влияния мешающего параметра, смещения ВТП относительно полностью непропа-янногоОК, относительно ОК с различной степенью пропаянности и относительно полностью пропаянного ОК. соответственно, 4 - направление увеличения смещения ВТП относительно ОК, 5 - направление увеличения степени пропаянности ОК, 6 -линия влияния контролируемого параметра-степени пропаянности ОК.

/ш<0

0.9

и.«1 2

0.1

0.6 Л 3 г~ А

0.5 \\ \\

ОЛ (V 1>

0.) \

7

/ / \1

-05 -0.1 --0.2 0.1 ?\ 0.5 0.6

чб. Н &

-0.2

/ \к.

-0.1

Рисунок 11 - Схема, поясняющая принцип вычисления точки отсчета для вычисления информативного параметра сигнала ВТП. 1 - линия влияния контролируемого

параметра - степени пропаянностиОК. 2 - линии влияния мешающего параметра, смещения ВТП относительно ОК с различной степенью пропаянное™, 3 - опорные точки границ диапазонов контролируемого и мешающего параметров (П; С): (100%; 0мм), (100% ; 10 мм), (0%; 0мм). (0% ;10 мм), 4 - линии, соединяющие опорные точки границ диапазонов 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 нор-

малей -точка отсчета амплитуды сигнала.

1 4*. (%)

Смещение ВТП относительно ОК

Рисунок 12 -Зависимость абсолютной дополнительной погрешности измерения степени пропаянности в случае применения классического амплитудного алгоритма выделения информативного параметра сигнала ВТП.1 -толщинатела, имитирующего дефект 0 мм, 2 - толщина тела, ими тирующего дефект 5 мм, 3 - толщина тела, имитирующего дефект 10 мм. 4 - толщина тела, имитирующего дефект 15 мм, 5 -толщина тела, имитирующего дефект 21 мм. | й*. (%)

Смещение ВТП относительно ОК

Рисунок 13 - 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.

Re{UJ

Рисунок 14 - Годографы зависимости сигнала ВТП от параметров КО I - линия влияния удельной электропроводности монолитного ОКв диапазоне от 0 до 59 МСм/м; 2 - линия влияния толщины зоны непропая в диапазоне от 0 до 21мм; 3 - линия влияния глубины расположения зоны непропая,толщиной 10 мм, в диапазоне отО до 11мм; 4.1-4.2-линия влияния наличия неспаянных проводников внутри хомута, соответственно точка 4.1 пустой хомут, точка 4.2 - хомут с неспаянными проводниками внутри; 5 - точка соответствующая пропаянному бездефектному соединению; 6-тока соответствующая монолитному КО 100 %.

□ нижний ряд

стержней

■ верхний ряд

стержней

Рисунок 15 - Статистика контроля пайки стержней статорной обмотки турбогенератора ТЗФП-220

Im(0 %; 0 мм) - Im(0 %; 10 мм) ~ Re(0 %; 0 мм) - Re(0 %; 10 мм)'

с(0 %) = -Im(0 %; 0 мм) - а(0 %) * Re(0 %; 0 мм) . (3)

ШагЗ. Строятся перпендикуляры к этим линиям, в точках (100%; Омм) и (0%; Омм), коричневые линии на рисунке11.

Определяются коэффициенты функций линий: Im=p*Re+i/ по формулам:

р(100 %) =---,

' а( 100 %)

9(100 %) = Ьп(100 %; 0 мм) - /»(100 %) * Re(100 %; 0 мм) ,

р(0 %) = —-—,

q(0 %) = lm(0 %; 0 мм) - р(0 %) * Re(0 %; 0 мм). (4)

Шаг 4. Определяются координаты точки пересечения перпендикуляров, синяя одиночная точка на пересечении коричневых линий на рисунке11.

Координаты точки вычисляются по формулам:

4(0%)-4(100%) (5)

р(0 %) - Р(100 %) '

/7(100 %) * <7(0 %) - р(0 %) * д(100 %) (6)

р(о%)-р(т%)

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

Л = л](Re- Re cross )2 + (Im- Imcr0SJ )2 . (7)

Об эффективности алгоритма можно судить по результатам расчетов абсолютных дополнительных погреши остей ДДРисунки 12 и 13).

На рисунке12 приведена зависимость абсолютной дополнительной погрешности измерения степени монолитности от смещения ¿ВТП относительно ОКв случае применения классического амплитудного алгоритма выделения информативного параметра сигнала ВТП.

15

На рисунке13 приведена зависимость абсолютной дополнительной погрешности измерения монолитности от смещения 1ВТП относительно ОКв случае применения предложенного амплитудного алгоритма выделения информативного параметра сигнала ВТП.

Анализируя данные (Рисунки 12, 13), очевидно, что предложенный алгоритм снижает значение дополнительной погрешности в 2,5 раза.

3. Разработан метод калибровки, контрольный образец со степенью монолитности 0 % без элементарных проводников и контрольный образец со степенью монолитности 100 % в виде цельного медного образца рассчитанной формы, обеспечивающие заданную погрешность и повторяемость измерений.

Экспериментально установленная зависимость сигнала ВТП от параметров КО приведена на рисунке14. Качество пайки стержней статорной обмотки - величина случайная, о чем косвенно свидетельствует статистика контроля (Рисунок 15). 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. Использование в качестве КО 0 % неспаянного соединения также 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.

Если в качестве КО 100 % использовать монолитный брусок, размеры и форма которого повторяют реальное соединение, а в качестве КО 0 % использовать пустой хомут (Рисунок16), 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 вычислена амплитуда А сигнала модели ВТП с КО 100 %, КО 0 %, имеющих номинальное значение указанных параметров.

Рисунок16 - Основные геометрические параметры: (а) - КО 100 %, (б) - КО 0 % Рассчитана амплитуда сигнала модели ВТП наКО с пороговым значением степени монолитности 70% (КО 70 %) по формуле:

А.70 %) = 0.7Ц.ОО %) ~~ Ао %)) + Ло %)' ^

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

Рассчитаны показания Рх прибора в случае его калибровки с использованием КО, значения параметров которых отличаются от номинальных по формуле:

Px = l00%Am%)~A'W%) , (9)

А' -А'

Л (100 %) л (0 %)

где А' - амплитуда сигнала модели ВТП, установленной на КО, значения параметров которых отличаются от номинальных.

Наблюдаемая дополнительная абсолютная погрешность измерений, обусловленная единичным отклонением значений параметров КО, вычисляется по формуле:

Ах = Рх-70%, (Ю)

где Лг и Рх - 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:

D* = l%/Ax. (И)

Допускаемые отклонения значений параметров КО ¿хДОп, удовлетворяющие указанным требованиям, в предположении того, что все источники погрешности являются независимыми параметрами и их функции являются линейными в области их определения, вычисленные по формуле:

Ас

¿*ДОП (12)

где / - количество одновременно влияющих параметров КО, являющихся независимыми источниками погрешности.

В таблице2приведены: номинальное значение параметров КО и допускаемое отклонение параметров КО от номинальных значений. Таблица2 - Номинальное значение параметров КО и допускаемое отклонение параметров КО от номинальных значений.

КО 100% КО 0 %

Параметр Номинальное значение дхдоп Параметр Номинальное значение 4дол

а 29,00 мм 0,13 им а 29,00 мм 0,14 мм

Ъ 65,0 мм 0,7 мм Ь 65,0 мм 7,7 мм

с 50,0 мм 0,5 мм с 50,0 мм 0,6 мм

а 21,0 мм 0,2 мм а 3,0 мм 0,1 мм

е 59 мм 4 мм 58,0 МСм/м 1,1 МСм/м

Г 80 мм 4 мм

СТМ 58,0 МСм/м 0,2 МСм/м

Допускаемые отклонения электропроводности определяют погрешность 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 а = 4,3*10"3 [1/°С], допускаемая разница температуры КО и объекта контроля вычисляется по формуле:

¿¡ачДОП

АТ

(13)

ОС (Тм

где стм - удельная электрическая проводимость меди. Допускаемая разница температуры КО и объекта контроля не более 1°С.

Вычисленные допускаемые отклонения параметров КОот номинальных значенийгарантируют заданную погрешность измерения. Обоснованное применение в качестве контрольного образца со степенью монолитности 0 % хомута без элементарных проводников и контрольного образца со степенью монолитности 100 % цельного медного образца рассчитанной формы обеспечивает повторяемость измере-нийи технологичность их производства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, на основе анализа литературных источников и существующих технологий и методов контроля и выполненных теоретических и экспериментальных исследований была решена актуальная научно-практическая задача -повышение эффективности неразрушающего контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов, основанных на методах вихре-токового вида НК. На основании проведенных исследований получены следующие научные результаты работы:

1. Для контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов рекомендован вихретоковый вид НК с применением экранного первичного измерительного преобразователя, содержащего экранированные обмотки;

2. Разработаны модели и конструкции экранного первичного измерительного преобразователя, содержащего экранированные обмотки, позволяющие решать задачи контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов;

3. Установлены зависимости комплексного относительного вносимого напряжения вихретокового первичного измерительного преобразователя от контролируемого и мешающих параметров;

4. Разработан и реализован способ выделения информативного параметра сигнала ВТП, обеспечивающий измерение монолитности в широком диапазоне девиации мешающих параметров;

5. Разработана конструкция и технология изготовления КО, обладающих заданными метрологическими характеристиками. Обосновано использование контрольного образца 0 % без элементарных

проводников и контрольного образца 100 % в виде цельного медного образца рассчитанной формы;

6. Разработан, изготовлен и испытан набор средств неразру-шающего контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов, подтвердивший теоретические расчеты и результаты моделирования.

Публикации по теме диссертации:

1. Потапов А.И., Сясько В.А., Коротеев М.Ю., Соломенчук П.В. Конечно-элементное моделирование преобразователя вихрето-кового контроля качества паяных соединений обмоток турбогенераторов // Дефектоскопия № 5, 2014, С. 21-30.

2. Коротеев М.Ю.Расчет параметров вихретоковых преобразователей для контроля качества пайки стержней статорной обмотки турбогенераторов // Естественные и технические науки №2, 2014 С 195-204.

3. Сясько В.А., Коротеев М.Ю., Соломенчук П.В. Вихретоко-вый неразрушающий контроль резьбы насосно-компрессорных труб // Контроль. Диагностика №10 (172), 2012, С. 17-22.

4. Коротеев М.Ю., Соломенчук П.В. Вихретоковый контроль резьбы оборудования нефтегазовой отрасли // Экспозиция, нефть-газ №4(16), 2011, С. 4-8.

5. Коротеев М.Ю., Соломенчук П.В. Вихретоковый контроль резьбы бурового оборудования // Экспозиция, нефть-газ № 5 (23) 2012, С. 130-133.

6. Сясько В.А., Булатов А.С., Коротеев М.Ю., Соломенчук П.В. Патент на изобретение №2384839Вихрегоковый измеритель, 2010 г.

7. Потапов А.И., Сясько В.А., Коротеев М.Ю., Соломенчук П.В. Патент на полезную модель заявка № 2014100835 Способ оценки качества паяного соединения обмоток электрических машин, 2014 г.

РИЦ Горного университета. 16.07.2014. 3.582. Т.100 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2