Technologia ultradźwiękowa umożliwia badanie szczelności kluczowych komponentów w elektrowniach
W elektrowniach zasilanych paliwami kopalnymi energia elektryczna wytwarzana jest w bardzo trudnych warunkach roboczych, z wykorzystaniem licznych elementów pod ciśnieniem, takich jak rury kotłowe, rury rozgałęźne i rury parowe. Pracują one w bardzo wysokich temperaturach w zakresie od 540 °C do 570 °C i narażone są na naprężenia, które mogą powodować pęknięcia spoin prowadzące do rozszczelnienia rur.
Znaczenie wczesnego wykrywania
Pełzanie to powolne odkształcanie elementu pracującego w warunkach naprężenia, ulegające przyspieszeniu pod wpływem wysokich temperatur. „Wiadomo, że uszkodzenia pełzaniowe występują na stosunkowo wczesnym etapie przewidywanego okresu użytkowania elementu. W wielu przypadkach pęknięcia spoin pojawiają się już w połowie okresu użytkowania”, mówi dr Marko Budimir, koordynator finansowanego przez UE projektu CreepUT. Wyniki badań wskazują, że uszkodzenia pełzaniowe nie rozpoczynają się na powierzchni, aby następnie rozchodzić się do wewnątrz, ale przeciwnie – mają swój początek wewnątrz materiału. Ponadto, w początkowej fazie rozwijają się znacznie wolniej. Zanim zostaną wykryte na powierzchni, rura jest już w takim stanie, że może w każdej chwili pęknąć. Aktualnie stosowane metody badań nieniszczących, takie jak metalografia wykorzystująca replikację, nie pozwalają na skuteczne monitorowanie materiału pod jego powierzchnią. Naukowcy uczestniczący w projekcie CreepUT podjęli się rozwiązania tych pilnych problemów poprzez opracowanie nowej technologii ultradźwiękowej. „Nasz inteligentny system skanera ultradźwiękowego pozwala na badanie materiału w całej jego objętości, dając po raz pierwszy możliwość wczesnego wykrywania podpowierzchniowych uszkodzeń pełzaniowych. Instrument ten umożliwia precyzyjny pomiar odkształceń pełzaniowych z dokładnością do kilku mikrometrów – co jest bardzo trudne przy użyciu obecnej technologii – oraz wydłużenie okresu użytkowania komponentów elektrowni poza pierwotne parametry konstrukcyjne”, wyjaśnia Budimir.
Zasada działania systemu
System CreepUT został zaprojektowany specjalnie w celu skanowania krytycznych spoin podatnych na uszkodzenia pełzaniowe. Wyposażono go w ergonomiczny manipulator mechaniczny, który umożliwia przemieszczanie i precyzyjne pozycjonowanie głowicy do badań ultradźwiękowych na powierzchni rur. Sercem głowicy, składającej się z sondy ultradźwiękowej i mechanizmu dociskowego, jest przetwornik ultradźwiękowy pozwalający na wykrywanie defektów o wielkości powyżej 0,2 mm. Długość fal analizowanych przez przetwornik ultradźwiękowy ma istotne znaczenie dla prawdopodobieństwa wykrycia pęknięcia. Nieciągłość musi być większa niż długość fali, aby istniała szansa jej wykrycia; w przeciwnym razie fala dźwiękowa będzie omijać defekt. „Większość badań ultradźwiękowych jest prowadzona na częstotliwościach od 1 MHz do 15 MHz. Wyższe częstotliwości pozwalają na wykrywanie mniejszych defektów, jednak po przekroczeniu pewnej wartości progowej energia akustyczna ma tendencję do rozpraszania się i nie penetruje materiału wystarczająco głęboko”, tłumaczy Budimir.
Trudności związane z testami
Przetestowanie systemu CreepUT w elektrowniach opalanych węglem brunatnym nie będzie łatwym zadaniem. Wysokie stężenie małych cząstek pyłu uwalnianych podczas spalania węgla może zakłócać proces skanowania, konieczne jest zatem odpowiednie zoptymalizowanie systemu, aby mógł on poradzić sobie z trudnymi warunkami pracy wewnątrz elektrowni, takimi jak stężenie pyłów, wilgotność i wysokie temperatury. Kluczem do skuteczności systemu CreepUT jest także czułość sondy ultradźwiękowej. Chropowatość powierzchni powinna wynosić około 1 μm – jeżeli jest większa, może poważnie ograniczać zdolność sondy do wykrywania bardzo małych defektów. Ponieważ uzyskanie tak niskiej chropowatości wiąże się z wysokimi kosztami, system został zaprojektowany w taki sposób, aby skanować cztery punkty na obwodzie rury, rozmieszczone co 90 stopni. Technologia CreepUT umożliwia poprawę bezpieczeństwa oraz zwiększenie przychodów dzięki ograniczeniu liczby przestojów w elektrowniach. Konieczne są dodatkowe testy, aby w przekonujący sposób zademonstrować zalety tego nowego procesu badania uszkodzeń rur.
Słowa kluczowe
CreepUT, uszkodzenia pełzaniowe, elektrownia, technologia ultradźwiękowa, badania nieniszczące, podpowierzchniowe, pęknięcia spoin, badania ultradźwiękowe, przetwornik ultradźwiękowy
