ΕΛΕΓΧΟΣ ΕΝΑΛΛΑΚΤΩΝ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟ Ο ΤΩΝ ΙΝΟΡΡΕΥΜΑΤΩΝ

Transcript

1 ΕΛΕΓΧΟΣ ΕΝΑΛΛΑΚΤΩΝ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟ Ο ΤΩΝ ΙΝΟΡΡΕΥΜΑΤΩΝ Θεόδωρος Θεοδουλίδης Καθηγητής Ηλεκτρολόγος Μηχανικός ΑΠΘ, ASNT NDT Level III Πανεπιστήµιο υτικής Μακεδονίας, Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών Μπακόλα & Σιαλβέρα, Κοζάνη, Τηλ.: , Περίληψη Η καθολικά αποδεκτή µέθοδος µη καταστροφικού ελέγχου των σωλήνων εναλλακτών θερµότητας είναι η µέθοδος των δινορρευµάτων η οποία συνδυάζει υψηλή ευαισθησία, ακρίβεια, ταχύτητα καθώς και δυνατότητα αυτοµατοποίησης. Στην παρουσίαση περιγράφεται η µεθοδολογία της εκτέλεσης ενός τυπικού ελέγχου και η τεχνική ανάλυσης των λαµβανοµένων σηµάτων. Παρουσιάζεται επίσης επιγραµµατικά η δραστηριότητα διεθνώς στον τοµέα του ελέγχου εναλλακτών µε δινορρεύµατα. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι εναλλάκτες θερµότητας είναι διατάξεις που χρησιµοποιούνται για τη µετάδοση θερµότητας από ένα ρευστό σε κάποιο άλλο. Χρησιµοποιούνται ευρύτατα στις βιοµηχανίες παραγωγής ηλεκτρικού ρεύµατος, χηµικές βιοµηχανίες, διυλιστήρια κλπ. Ο πιο συνηθισµένος τύπος εναλλάκτη είναι ο κελύφους-σωλήνων. Τα προβλήµατα διάβρωσης που παρατηρούνται αφορούν τους σωλήνες του εναλλάκτη, οι οποίοι αποτελούν και το αδύνατο σηµείο του τύπου αυτού και εξαρτώνται από το υλικό κατασκευής των σωλήνων καθώς και τις συνθήκες λειτουργίας. Τα πιο συνηθισµένα είναι διάβρωση, δυναµοδιάβρωση, διάβρωση φθορά και µηχανική διάβρωση. Πλάκα στήριξης Εξωτερικό (OD) Εσωτερικό (ID) Μαγνητίτης 1.1 mm Κεφαλή Οπή Καµπή 12.7 mm Σχήµα 1: Τυπικός έλεγχος ενός σωλήνα εναλλάκτη θερµότητας. Καταγράφεται η σύνθετη αντίσταση των πηνίων της κεφαλής κατά την εξόλκησή της από το σωλήνα. Προκύπτει λοιπόν επιτακτικό το πρόβληµα του ελέγχου των σωλήνων στους οποίους σηµειωτέον δεν υπάρχει πρόσβαση παρά µόνο στο εσωτερικό τους. ιάφορες µέθοδοι µπορούν να χρησιµοποιηθούν εκ των οποίων η επικρατέστερη είναι η µέθοδος των δινορρευµάτων. Αυτή βρίσκει κυρίως εφαρµογή στον έλεγχο µη σιδηροµαγνητικών υλικών ενώ για σιδηροµαγνητικά υλικά χρησιµοποιούνται παραλλαγές της µεθόδου των δινορρευµάτων όπως η µέθοδος δινορρευµάτων αποµακρυσµένου πεδίου (RFT) και µαγνητικής διαρροής (MFL).

2 Η παρουσίαση αυτή αφορά µη σιδηροµαγνητικά υλικά και τη χρήση της κλασσικής µεθόδου των δινορρευµάτων. Τα πλεονεκτήµατα της µεθόδου είναι: Εξαιρετικά γρήγορη Ανιχνεύει εσωτερικά και εξωτερικά σφάλµατα Ανιχνεύει βαθµιαία και απότοµα σφάλµατα ίνει ποσοτική πληροφορία για το σχετικό µέγεθος του σφάλµατος (% βάθος) Ιδανική για αυτοµατοποίηση Αποθήκευση και επεξεργασία των λαµβανοµένων σηµάτων Μειονεκτήµατα της µεθόδου είναι: Η ποσοτικοποίηση των σφαλµάτων κάτω από την αυλοφόρο και τις πλάκες στήριξης δεν είναι τόσο ακριβής. εν χρησιµοποιείται σε µαγνητικά υλικά 3. ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Όσον αφορά τον εξοπλισµό απαιτούνται τα εξής: Όργανο δινορρευµάτων µε απεικόνιση σύνθετης αντίστασης Σειρά κεφαλών Σύστηµα προώθησης και εξόλκησης της κεφαλής µέσα από κάθε σωλήνα Σύστηµα καταγραφής των σηµάτων ύο άτοµα, ένα για το χειρισµό του συστήµατος προώθησης-εξόλκησης και ένα για την καταγραφή και την ερµηνεία των αποτελεσµάτων. Αρχικές πληροφορίες Για τον ίδιο τον εναλλάκτη, το ιστορικό του και τις συνθήκες λειτουργίας. Επίσης το υλικό τόσο των σωλήνων όσο και των πλακών στήριξης καθώς και τις διαστάσεις τους. Οι εναλλάκτες κατασκευάζονται από µια ευρεία γκάµα υλικών. Τα συνηθέστερα είναι χάλυβες και κράµατα χαλκού ενώ χρησιµοποιούνται σε ειδικές περιπτώσεις ειδικά αντιδιαβρωτικά υλικά όπως ανοξείδωτοι χάλυβες, κράµατα νικελίου και τιτάνιο. Οι διαστάσεις των σωλήνων ποικίλουν από περίπου 10-50mm εξωτερική διάµετρο, 0.5-5mm πάχος τοιχώµατος και έως 30m µήκος. Επιλογή του τύπου του ελέγχου Γίνεται βάσει των στοιχείων του εναλλάκτη καθώς και των αναµενόµενων σφαλµάτων (π.χ. οµοιόµορφη διάβρωση αποµείωση πάχους ή τρηµατική διάβρωση). Επιλέγεται διαφορικός ή απόλυτος έλεγχος και εάν θα γίνεται καταγραφή της φάσης ή του πλάτους του σήµατος ή και των δύο. Επιλογή της κεφαλής Η επιλογή της κεφαλής εξαρτάται από: Τον τύπο του υλικού Τις διαστάσεις των σωλήνων (διάµετρος και πάχος τοιχώµατος σωλήνα) Τα αναµενόµενα σφάλµατα και αφορά: Τον τύπο της κεφαλής Το εύρος συχνοτήτων της κεφαλής Το µέγεθος της κεφαλής Υπάρχουν οι εξής τύποι κεφαλών: Απόλυτες ιαφορικές

3 Ειδικού τύπου που περιλαµβάνουν τις περιστρεφόµενες, διανυσµατικές κεφαλές, επιφανειακές, περιστρεφόµενου πεδίου, κεφαλές κορεσµού για ελαφρά µαγνητικά κράµατα, εκποµπής-λήψης, κλπ. Στο σχήµα 2 φαίνονται ορισµένοι τύποι απλών κυκλικών κεφαλών. Α Α Β 1 3 Α Β Α Β 2 4 Γ Σχήµα 2: Κεφαλές δινορρευµάτων για τον έλεγχο σωλήνων εναλλακτών. 1. Απόλυτη 2. ιαφορική 3. ιασταυρούµενων αξόνων 4. Εκποµπής-λήψης Α, Β: Πηνία ανίχνευσης. Γ: Πηνίο δηµιουργίας µαγνητικού πεδίου οκίµια βαθµονόµησης Κατασκευάζονται οι σωλήνες που θα χρησιµοποιηθούν για τη βαθµονόµηση του συστήµατος ελέγχου. Αυτοί θα πρέπει να είναι όµοιοι όσον αφορά το υλικό και τις διαστάσεις µε τους σωλήνες που πρόκειται να ελεγχθούν. Ανάλογα µε τον τύπο ελέγχου (ανάλυση φάσης ή πλάτους) φτιάχνονται κατάλληλα σφάλµατα επί των δοκιµίων αυτών. ID groove Hole 20% OD 40% OD 60% OD 80% OD Support Ring (α) holes Size A 2 holes 3 holes 4 holes 6 holes 8 holes Support Ring (β) Σχήµα 3: οκίµια βαθµονόµησης για έλεγχο (α) µε ανάλυση φάσης, (β) µε ανάλυση πλάτους Καταγραφή και ανάλυση των σηµάτων Αποφασίζεται ο τύπος της καταγραφής (σε Η/Υ) καθώς και ο τρόπος ερµηνείας των σηµάτων ανάλογα µε τον τύπο του ελέγχου. Επιλογή συχνότητας Αυτή εξαρτάται από: Το πάχος του τοιχώµατος του σωλήνα

4 Την αγωγιµότητα του υλικού Την απαιτούµενη µορφή απόκρισης Τον τύπο του ελέγχου Τη χρήση ή όχι πολυσυχνοτικών τεχνικών 3. ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΗΜΑΤΩΝ Συνήθως η πληροφορία για το εάν ένα σφάλµα είναι εξωτερικό ή εσωτερικό καθώς και για το σχετικό βάθος του εξάγεται µε τη βοήθεια της ανάλυσης φάσης. Η τεχνική αυτή βασίζεται στην αντιστοιχία της φάσης των λαµβανοµένων σηµάτων (δηλαδή της γωνίας µε την οποία εµφανίζονται στην οθόνη του οργάνου δινορρευµάτων) και του βάθους τους. Η σωστή αντιστοιχία προϋποθέτει τη χρήση κατάλληλης συχνότητας και δοκιµίου βαθµονόµησης µε σφάλµατα σε διάφορα βάθη. Η συνήθως χρησιµοποιούµενη συχνότητα είναι η αποκαλούµενη συχνότητα f 90 η οποία δίνεται από τον τύπο: 516 f90 = 2 σd όπου f η συχνότητα σε ΚΗz σ η αγωγιµότητα του υλικού των σωλήνων σε %IACS d το πάχος του τοιχώµατος του σωλήνα σε mm Στο σχήµα 4α φαίνεται ότι στη συχνότητα f 90 µέσα σε ένα εύρος φάσης περίπου 90 µοιρών συναντώνται όλα τα πιθανά σφάλµατα. Η συχνότητα αυτή έχει επίσης το πλεονέκτηµα ότι οι µη σχετικές ενδείξεις, όπως π.χ σήµατα από τις πλάκες στήριξης έχουν φάση εκτός του εύρους των αναµενόµενων φάσεων σφαλµάτων και ως εκ τούτου µπορούν να διαχωριστούν εύκολα από τις σχετικές ενδείξεις. 3.8 Επίπεδο σύνθετης αντίστασης 3.6 OD 25% 3.4 OD 50% 3.2 Οπή ID 50% Σχήµα 4α: Απεικόνιση των λαµβανοµένων σηµάτων στο επίπεδο σύνθετης αντίστασης

5 4 Απεικόνιση των σηµάτων στο χρόνο 3 2 ID 50% Οπή OD 50% OD 25% Σχήµα 4β: Απεικόνιση των λαµβανοµένων σηµάτων (οριζόντιο και κάθετο κανάλι) στο χρόνο Στο σχήµα 4β απεικονίζονται στο χρόνο τα δύο επιµέρους σήµατα από τα οποία αποτελείται το µιγαδικό µέγεθος της σύνθετης αντίστασης του πηνίου ελέγχου. Τα σήµατα των παραπάνω σχηµάτων έχουν παρθεί από διαφορική κεφαλή. Μια άλλη δυνατότητα είναι η χρήση της τεχνικής πλάτους όπου αντί της φάσης χρησιµοποιείται το πλάτος των λαµβανοµένων σηµάτων για την εξαγωγή πληροφορίας σχετικά µε το µέγεθος και γενικότερα τη σοβαρότητα ενός σφάλµατος. Το πρόβληµα µε την τεχνική αυτή είναι ότι δίνει ακριβή αποτελέσµατα εάν υπάρχει πρότερη πληροφορία για το είδος των σφαλµάτων που αναµένονται. Αυτό πολλές φορές επιτυγχάνεται µε την εξαγωγή ενός σωλήνα που δίνει κάποιο ύποπτο σήµα, το κόψιµό του και την οπτική παρατήρηση των σφαλµάτων. 4. ΠΡΟΧΩΡΗΜΕΝΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΚΑΙ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΕΣ ΠΡΟΣΠΑΘΕΙΕΣ Στην παράγραφο αυτή θα αναφέρουµε επιγραµµατικά τις κατευθύνσεις της έρευνας που διεξάγεται παγκοσµίως πάνω στον έλεγχο των εναλλακτών θερµότητας µε δινορρεύµατα. Ιδιαίτερη έµφαση δίνεται σε χώρες όπου λειτουργούν πυρηνικά εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και ιδιαίτερα του τύπου PWR (Pressurized Water Reactors). Αυτό συµβαίνει διότι σε αυτά τα εργοστάσια κεντρικό ρόλο παίζει η ατµογεννήτρια (steam generator) που είναι ένας εναλλάκτης στον οποίο ρέει από τη µια µεριά ραδιενεργά µολυσµένο νερό ψύξης και από την άλλη µεριά καθαρό νερό ψύξης. Η αστοχία ενός και µόνο σωλήνα από τις χιλιάδες που απαρτίζουν την ατµογεννήτρια έχει σοβαρότατες επιπτώσεις τόσο στη λειτουργία του εργοστασίου όσο και στο περιβάλλον. Η έρευνα που διεξάγεται έχει δύο κατευθύνσεις: Κατασκευή όλο και πιο προηγµένων συστηµάτων κεφαλών µε σκοπό τη ρύθµιση της διανοµής των δινορρευµάτων στον ελεγχόµενο σωλήνα. Ανάπτυξη µοντέλων και αλγορίθµων για την αυτόµατη ανάλυση των λαµβανοµένων σηµάτων ώστε να καταστεί δυνατή όχι µόνον η ανίχνευση σφαλµάτων αλλά και η ακριβής διαστασιολόγησή τους. Ιδιαίτερη έµφαση δίνεται στην ανίχνευση εγκάρσιων ρωγµών καθώς και σφαλµάτων που εµφανίζονται είτε κάτω από τις πλάκες στήριξης είτε στην αυλοφόρο πλάκα και συγκεκριµένα στη ζώνη διαστολής (expansion zone) των σωλήνων. Μια χαρακτηριστική σχεδίαση κεφαλής φαίνεται στο σχήµα 5 η οποία ονοµάζεται κεφαλή Cecco από το όνοµα του σχεδιαστή της.

6 Σχήµα 5: Κεφαλή Cecco. Αντίθετα µε τις συνήθεις κυκλικές κεφαλές (σχήµα 2), αυτή αποτελείται από πολλά µικρά επιφανειακά πηνία που σαρώνουν ένα µικρό κοµµάτι της περιφέρειας του σωλήνα. Η κεφαλή αυτή συνδυάζει την υψηλή ταχύτητα µε την υψηλή ευαισθησία, δίνει ακριβή πληροφορία της θέσης του σφάλµατος, έχει όµως µεγαλύτερο κόστος κατασκευής και φυσικά αυξηµένες απαιτήσεις ανάλυσης αφού λαµβάνονται ταυτόχρονα πολλά σήµατα. Το µοντέλο που περιγράφει επακριβώς οποιοδήποτε ηλεκτροµαγνητικό φαινόµενο και εποµένως και τη µέθοδο των δινορρευµάτων είναι οι εξισώσεις του Maxwell οι οποίες επιλύονται µε τη βοήθεια πεπερασµένων στοιχείων (FEM), πεπερασµένων διαφορών (FDM), ολοκληρωτικών µεθόδων (ΒΕΜ, VIM, κλπ.) καθώς και προσεγγιστικών αναλυτικών µεθόδων. Οι λύσεις αυτές του ευθέος προβλήµατος (forward problem) χρησιµοποιούνται στην επίλυση του αντιστρόφου προβλήµατος (inverse problem) που κατέχει κεντρική θέση στον έλεγχο µε δινορρεύµατα αλλά και σε όλες τις µεθόδους µη καταστροφικού ελέγχου και συνίσταται στην αυτόµατη αναγνώριση των σφαλµάτων από τα λαµβανόµενα σήµατα. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Theodoulidis T.P., Eddy Current Inspection of Non-Ferrous Heat-Exchanger Tubing, Training material for Lavender International Ltd, Mester M.L., McIntire, eds., Nondestructive Testing Handbook: Electromagnetic Testing, Vol.4, 2 nd ed., Columbus OH: American Society for Nondestructive Testing, Cecco V.S., G. VanDrunen, F.L. Sharp, Eddy current testing, Columbia, MD: GP Courseware, Information from Hocking NDT Ltd, Eddy current inspection of non-ferrous heat-exchanger tubing, INSIGHT, Vol.36, No.4, pp , April Hocking NDT Ltd, Eddy current probes & accessories, Catalog Drunen G., Cecco V.S., Recognizing limitations in eddy-current testing, NDT International, Vol.17, No.1, pp.9-17, February Granville R.K., In service eddy current examination of non-ferrous industrial heat exchanger tubing, British Journal of NDT, Vol.33, No.8, pp , August Birring A.S., Selection of NDT techniques for heat exchanger tubing, Materials Evaluation, Vol.59, No.3, pp , March Krzywosz K., Flaw detection and characterization in heat exchanger tubing, EPRI Report No. GC , December Theodoulidis T.P., Analytical modeling of wobble in eddy current tube testing with bobbin coils, υπό κρίση στο Research in NDE.