UDK 621.319.4:537.856:620.193 ISSN 1580-2949 Izvirni znanstveni članek MTAEC 9, 36(1-2)59(2002) POŠKODBE KONDENZATORSKIH CEVI, UGOTOVLJENE Z METODO VRTINČNIH TOKOV CONDENSOR TUBE DAMAGES DETERMINED WITH THE EDDY CURRENT METHOD Boštjan Godec, Grega Kovačič Inštitut za metalne konstrukcije, Mencingerjeva 7, 1000 Ljubljana, Slovenija bostjan.godecŽimksi Prejem rokopisa - received: 2001-11-09; sprejem za objavo - accepted for publication: 2002-02-04 Neporušitveno preiskavalno metodo vrtinčnih tokov, ki je zasnovana po principu elektromagnetne indukcije, smo uporabili pri preiskavah kondenzatorskih cevi iz materiala CuZn28Sn dimenzij if 21 mm X 1 mm, ki so bile odvzete iz termoenergetskega objekta. Med naslednjo zaustavitvijo tega objekta smo navedeno metodo uporabili pri pregledu večjega števila kondenzatorskih cevi. Po opravljeni preiskavi smo nekaj cevi razrezali in na osnovi metalografskih preiskav podali povezavo med dobljeno krivuljo z vrtinčnimi tokovi in obliko poškodbe. Tako smo ocenili preostalo dobo trajanja, sprejemali odločitve o cepljenju posameznih cevi in njihovi zamenjavi. Večina poškodb, ki smo jih ugotovili je bila posledica vibracij in obrabe materiala ob podporah, v posameznih primerih pa so nastopile poškodbe tudi zaradi jamičaste korozije, ki je ponekod povzročila preluknjanje cevi. Ključne besede: vrtinčni tokovi, kondenzatorske cevi, jamičasta korozija, elektromagnetna indukcija The nondestructive eddy current test method based on the principle of electromagnetic induction has been used in an investigation conducted on condensertubes made of CuZn28Sn, with the following dimension if 21 mm X 1 mm taken from the condensor. The eddy current method was used to control a number of condenser tubes in thermal power plant during next shut down. Some tubes were cut after eddy current control. On the basis of metalographic investigation the connection between the form of signal and the tube damage was observed. This offered a basis to estimate residual lifetime and decide to plug individual tubes or to replace them in regard to examination results. Most damages observed occurred due to vibration and friteness on supports while fewer damages occurred due to localised pitting corrosion which in some cases lead to tube penetration. Key words: eddy current, condenser tubes, pitting corrosion, electromagnetic induction 1 UVOD Toplotni izmenjevalnik ali kondenzatorima lahko več tisoč cevi dolžine do 20 m12. Napake v cevnih snopih v napajalnikih toplotnih pregrevalnikov in kondenzatorjih v termoelektrarnah kakor tudi v kemični industriji in rafinerijah povzročajo zastoje in zaustavitve. Med obratovanjem so cevi izpostavljene različnim škodljivim vplivom. Pojavljajo se poškodbe tako na notranji kot zunanji strani cevi1'2'7,8,9. Kerso kondenzatorske cevi povezane v snope, jih lahko pregledamo samo z notranje strani. Z uporabo vrtinčnih tokov lahko v kratkem času pregledamo celotno dolžino in obseg cevi. Preskušanje z vrtinčnimi tokovi ima svoje začetke v Faradayevem odkritju elektromagnetne indukcije leta 1831. Leta 1879 je Hughes zaznal spremembe v lastnostih tuljave, kadarjo je postavil v stik s kovino z različno prevodnostjo in permeabilnostjo, vendar vse do druge svetovne vojne tega efekta niso praktično uporabili za preskušanje materialov. Velik razvoj je bil narejen v petdesetih in šestdesetih letih, še posebej v avionski in nuklearni industriji6. Če tuljavo, skozi katero teče izmenični tok, postavimo v neposredno bližino prevodne površine, potem magnetno polje tuljave inducira na površini tega predmeta vrtinčne tokove. Ti povzročijo nastanek sekundarnega magnetnega polja, ki vpliva na primarno magnetno polje tuljave in s tem na njeno impen-danco1'2'4,5. Nelinearnost povzroči spremembo gostote in velikosti vrtinčnih tokov. Ko je na površini predmeta pod tuljavo razpoka, ta povzroči prekinitev in s tem zmanjšanje vrtinčnega toka, kar spet povzroči zmanjšanje sekundarnega magnetnega polja in povečanje impedance. Sprememba napetosti na tuljavi je osnova za vso preiskavo z vrtinčnimi tokovi. Z merjenjem spremembe napetosti na tuljavi lahko iščemo spremembe v preiskovanem materialu. Hkrati se spremeni tudi fazni kot med napetostjo in tokom, karje važen podatek za vrednotenje napake45. Pri preiskavi je treba upoštevati dejavnike, ki vplivajo na velikost vrtinčnih tokov: impedanco, električno prevodnost, magnetno permeabil-nost, faktorstika, faktorzapolnitve terrobni in površinski efekt1'4,5,7. S to metodo zaznamo korozijske poškodbe, razpoke, rise, zajede, poškodbe cevi pod podpornimi ploščami na zunanji in notranji strani cevi. Uporabljajo se tri tehnike: diferencialna metoda z enim kanalom za analizo signala, diferencialna metoda z uporabo več frekvenc pri analizi signala in absolutna metoda. Preiskovanje železnih in magnetnih nerjavnih materialov s standardno opremo za MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2 59 B. GODEC, G. KOVAČIČ: POŠKODBE KONDENZATORSKIH CEVI . preiskavo z vrtinčnimi tokovi ni možno. Za te materiale sta bila razvita postopka: oddaljeno polje vrtinčnega toka in prepust magnetnega fluksa1. Navadno se uporablja preiskava z dvema ali več frekvencami naenkrat, zato da bi se izognili neželenim vplivom distančnih oz. podpornih plošč. Preiskava z vrtinčnimi tokovi je izredno mnogostranska in se uporablja za ugotavljanje ali razlikovanje med fizikalnimi, strukturnimi in metalur-škimi lastnostmi električno prevodnih železnih in neželeznih kovin in kovinskih delov in tudi za odkrivanje napak v materialu. Metoda vrtinčnih tokov je izredno občutljiva, kar je v mnogih primerih negativno, saj lahko nekatere spremenljivke v materialu, ki pri preiskavi niso bistvene, povzročijo spremembo signala in napačno interpretacijo le-te1. 2 EKSPERIMENTALNI DEL Slika 2: Izpis pri preiskavi na etalonu Figure 2: The print during examination of the etalon Z neporušitveno preiskovalno metodo vrtinčnih tokov smo preiskali poškodbe kondenzatorskih cevi z metodo uvajanjem sonde v cev. Preiskave smo opravili z napravo HOCKING AV 100SE, ki ima možnost delovanja v frekvenčnem območju od 1 kHz do 1 MHz, vsebuje zaslon in pomnilnik, s katerim je možno spremljati spremembe impedance sonde, katere navitja so povezana na diferencialni način. Poleg tega ima sposobnost uporabe analogne kompenzacije za regulacijo vertikalne in horizontalne komponente signala na zaslonu (X in Y), z možnostjo regulacije napetosti med ±1,5 V do ±15 V. Na sliki 1 je prikazana sonda, ki jo uporabljamo za preiskave cevi z notranje strani, in etaloni za preiskave, na sliki 2 pa je prikazan izpis pri preiskavi na etalonu z značilno Lissajous-jevo krivuljo. Premer sonde je izbran glede na notranji premer cevi, da še omogoča prehod skozi cev brez zatikanja. Kalibracijo izvedemo na kalibracijski cevi, ki ima umetno narejene napake in je izdelana iz materiala z enakimi lastnostmi, tako dimenzijskimi kot kemijskimi, terenako termično obdelavo, kot je cev kondenzatorja, ki jo pregledujemo. 2.1 Laboratorijske preiskave odvzetihkondenzatorskih cevi Iz kondenzatorja termoenergetskega objekta je bilo odvzetih štirinajst poškodovanih kondenzatorskih cevi kvalitete CuZn28Sn ? 21 mm × 1 mm. Na izbranih ceveh smo v laboratoriju opravili preiskave z vrtinčnimi Slika 1: Sonda in etaloni, ki se uporabljajo pri preiskavi cevi z notranje strani Figure 1: The probe and the etalon used for inside tube examination Slika 3: Primer meritve napak z metodo vrtinčnih tokov na konden-zatorskih ceveh v laboratoriju z značilno krivuljo; a) korozijska poškodba z notranje strani, b) zunanja napaka - udarec Figure 3: The example of measure the defect with the eddy current method on condenser tubes in laboratory with characteristic curve; a) corrosion defect from inside; b defect from outside - stroke 60 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2 B. GODEC, G. KOVAČIČ: POŠKODBE KONDENZATORSKIH CEVI Slika 4: Meritve poškodb kondenzatorskih cevi z uvajanjem sonde Figure 4: The defect measurement on condenser tubes with the probe insertion tokovi in nato ugotovljene poškodbe primerjali z metalo-grafsko preiskavo. Kot primer navajamo primerjavo dveh signalov: korozija z notranje strani (slika 3a) in zunanja poškodba - udarec (slika 3b). Slednji ima velik kot in veliko amplitudo, vendar se vrh do vrha začne na nasprotni strani kot v primeru korozije. 2.2 Preiskave kondenzatorskihcevi na objektu Na kondenzatorju smo izvršili na sedemnajstih ceveh meritve z metodo vrtinčnih tokov (slika 4). Preiskava je bila izvedena med zaustavitvijo bloka termoenergetskega objekta. Preiskane so bile cevi iz različnih segmentov. Pri preiskavi praktično ni bilo cevi, ki ne bi imela poškodbe (tabela 1). Ko primerjamo vzdolžni načrt kondenzatorja, kjer so vrisane podporne plošče in razdaljo, kje smo dobili signal za napako, potem lahko nedvomno trdimo, da Tabela 1: Preiskave kondenzatorskih cevi z vrtinčnimi tokovi Table 1: The condenser tubes examination with the eddy current method __________Parametri CevXVI251-1a Kondenzatorske cevi preiskave: frekvenca: 50 do 80 kHz, jakost: 50 dB, fazni kot Cev XVI 251-1b \ / \ i __ 1 1 i ±I_L_ Signal na 3,1 m - zunanja napaka ___________(obraba)___________ CevXVI251-1d Signal na 6,5 m - notranja napaka ___________(korozija)___________ Signal na 4,2 m - notranja napaka ___________(korozija)___________ Cev XV 158-7a Signal na 2,3 m - notranja napak __________(korozija)___________ 4>: 220° 5 CevXVI251-1c i r r il iČ-j- r r r L Signal 5,3 m - notranja napaka (korozija) Cev XV 158-7b Signal na 4,1 m - notranja napaka ___________(korozija)___________ Cev XV 158-7c C s Cev XV 158 -7d Cev XVIII 221 - 8a Signal na 5,4 m - notranja napaka ___________(korozija)___________ Signal na 6,5 m - notranja napaka ___________(korozija)___________ Signal na 1,4 m - zunanja napaka ___________(obraba)___________ Cev XVIII 221 - 8b CPrnl bLLE T SS ttttn t \A N fflrc tHtti Dxtz: ali Tttw tJJ \\\A Y iHi fi J/ M N/L LUČÜ rul Cev III 251-10 i— LL *- pčpi šfeu 1 Cev IV 158-11a i J H L Signal na 2,7 m - zunanja napaka _____________(obraba)_____________ Signala na 1,5 m - notranja napaka _____________(korozija)_____________ Signal na 5,1 m - notranja napaka ____________(korozija)____________ MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2 61 B. GODEC, G. KOVAČIČ: POŠKODBE KONDENZATORSKIH CEVI Slika 5: Primerjava izpisa krivulje, narejene z metodo vrtinčnih tokov, z metalografskim obrusom, narejenim na mestu indikacije: a) Napaka: jamičasta korozija; notr. stran cevi. Velikost: 0,1 mm; 10 %, b) Napaka: obraba, zunanja stran cevi. Velikost: 0,21 mm; 21 % Figure 5: Comparison of the curve print perform with the eddy current method with metalographic cross section done on the indication spot: a) Defect: pitting corrosion; tube inside. Size: 0,1 mm; 10 %, b) Defect: triteness, tube outside. Size: 0,21 mm; 21 % prihaja v večini primerov do poškodb na zunanji strani cevi na mestih podpornih plošč zaradi vibracij ob podpornih ploščah. Na preostalih ceveh ugotavljamo poškodbe z notranje strani, verjetno zaradi jamičaste korozije. 2.2.1 Preiskave na dvehodvzetihcevehiz kondenzatorja v laboratoriju Iz predela kondenzatorja I 221 in III 251 smo odvzeli dve cevi. Te smo pregledali z vrtinčnimi tokovi v laboratoriju in nato razrezali za metalografske preiskave. Podani so rezultati meritev vrtinčnih tokov v primerjavi z metalografskimi preiskavami (slika 5). 3DISKUSIJA Največ poškodb na preiskanih kondenzatorskih ceveh izvira iz vibracij in obrabe ob podpornih ploščah. Pri stalnih vibracijah pride do obrabe cevi na zunanji strani. Signala, ki nastaneta zaradi obrabe ob podpornih ploščah in od podporne plošče se prekrivata, zato smo uporabili metodo vrtinčnih tokov z dvema frekvencama. Signal napake zaradi obrabe ob podpori v določenih primerih prekrije signal, ki prikazuje preluknjanje cevi. Vendar smo s spreminjanjem parametrov meritve zaznali obe vrsti napake. Iz oblike krivulje in njene velikosti, predvsem pa faznega kota, se da sklepati, ali gre za notranjo ali zunanjo poškodbo in o približni velikosti poškodbe. Kersmo razdaljo od postavitve sonde v cevi primerjali z načrtom kondenzatorja, smo hitro ugotovili, da je indikacija večine poškodb povezana s podporami. Zaradi vibracij prihaja tam do obrabe, kar se lepo pokaže pri preiskavi. Prav tako je možno locirati poškodbo zaradi korozije, predvsem se pojavlja jamičasta korozija. Vendar je v praksi potrebno uporabiti računalniško povezan način vrednotenja rezultatov in avtomatizirano podajanje sonde v cevi, karomogoča preglede vseh cevi kondenzatorja ali večjega števila v kratkem času, kot ga dopušča zaustavitev termoenergetskega objekta med remontom. 4 SKLEP Metodo vrtinčnih tokov smo uporabili pri ugotavljanju obsega poškodb na kondenzatorskih ceveh v termoenergetskem objektu. Ta neporušitvena preiskovalna metoda se je pokazala kot zelo senzibilna in učinkovita, vendarzahteva veliko izkušenj in znanja. Pri preiskavah smo uporabljali napravo za meritve vrtinčnih 62 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2 B. GODEC, G. KOVAČIČ: POŠKODBE KONDENZATORSKIH CEVI tokov z uporabo ene frekvence in ročno manipulacijo sonde ter ročno obdelavo podatkov. V primeru preiskav kondenzatorja je to edina zanesljiva metoda, saj z nobeno drugo metodo ne moremo v tako kratkem času preiskati vseh cevi kondenzatorja in istočasno zunanjo in notranjo stran cevi. Ugotovljeno je bilo, da je večina poškodb posledica vibracij in obrabe materiala z zunanje strani cevi ob podporah. V nekaterih primerih smo ugotovili poškodbe z notranje strani cevi, ki pa so posledica jamičaste korozije. 5 LITERATURA 1 Metal Handbook - Vol. 17: Nondestructive testing, 9th Edition AMS, International, 1991 2 A. Černe, B. Godec, Sanation of the thermo-power plants: proceedings of the 1st international symposium, Rogaška Slatina, May 28-30, 1997, 165-169 Delovni postopek IMK: DP-N8, Preizkušanje z vrtinčastimi tokovi (ECT), 1997 Eddy Curent Testing, Level II course, ENEL, Central Laboratory, Piacenza, 1995 Nondestructive testing - eddy current testing, Programed instruction handbook, San Diego, PI-4-5, 1967 http://www.hocking.com/theory_testing.htm S. A. Jenkins, D. W. Lowden, Eddy current inspection simulators: computer-aided learning, Materials Evaluation, 11 (1993) 51, 1226-1236 H. Chang, F. C. Shoenig, Jr., J. A. Soules, Eddy current offers a powerful tool for investigating residual stress and other metallurgical properties, Materials Evaluation, 12 (1999) 57, 1257 C. V. Dodd, J. R. Pate, J. D. Allen, Advancement in eddy current test technology forsteam generatortube inspection, Materials Evaluation, 1 (1995) 53, 49-54 ASME Boiler and Preasure Vessels Code, Section XI, Rules for Inservice Inspection of NPP Components MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2 63