A HIDROENERGETICIENILOR DIN ROMÂNIA, CERCETĂRI TERMOGRAFICE ASUPRA HIDROAGREGATELOR

Transcription

1 A PATRA CONFERINŢĂ A HIDROENERGETICIENILOR DIN ROMÂNIA, Dorin Pavel CERCETĂRI TERMOGRAFICE ASUPRA HIDROAGREGATELOR Constantin CĂLINOIU 1, Constantin DUMITRAŞCU 2, Alexandrina MIHAI 3, Nicolae VASILIU 4 Rezumat: Lucrarea prezintă rezultatele preliminare ale cercetărilor întreprinse de U.P.B. asupra utilizării metodei termografierii cu aparatură performantă pentru diagnosticarea hidroagregatelor. În cadrul colaborării cu S.C. HIDROELECTRICA S.A. au fost efectuate termografieri ale principalelor componente ale hidroagregatelor şi staţiilor electrice ale C.H.E. Goleşti, Piteşti şi Bascov, precum şi ale C.H.E. Mărişelu. Investigaţiile au evidenţiat regimuri funcţionale anormale şi defecţiuni care au condus la măsuri utile pentru siguranţa exploatării centralelor respective. 1. INTODUCERE În ţarile avansate termografia în infraroşu este larg răspândită în numeroase domenii de activitate, dintre care se detaşează cel energetic. Astfel, termografia este folosită frecvent pentru verificarea tuturor echipamentelor energetice care trebuie să genereaze căldură cu randament cât mai mare sau care nu trebuie să genereze căldură în timpul funcţionării. De ex., se verifică periodic termografic componentele staţiilor de transformare şi ale instalaţiilor de transport şi distribuţie a energiei electrice şi termice. La echipamentele care implică transferul de căldură (de ex. - schimbătoarele de căldură) termografierea permite menţinerea parametrilor procesului în limite impuse. În cazul echipamentelelor afectate de generarea căldurii, evidenţierea acesteia indică o disfuncţie care se poate amplifica în timp, până la producerea unei avarii, explozii sau a unui incendiu. 1 Conf.dr.ing., Univ. Politehnica din Bucureşti, Facultatea de Energetică, Cat. de Hidraulică şi Maşini Hidraulice 2 As. drd. ing., Univ. Politehnica din Bucureşti, Facultatea de I.M.S.T., Cat. de Tehnologia Materialelor de Sudare 3 Prof.dr.ing., Univ. Politehnica din Bucureşti, Facultatea de I.M.S.T., Cat. de Tehnologia Materialelor de Sudare 4 Prof.dr.ing., Univ. Politehnica din Bucureşti, Facultatea de Energetică, Cat. de Hidraulică şi Maşini Hidraulice

2 În ţara noastră această metodă modernă nu este încă folosită sistematic pentru verificarea periodică a echipamentelor şi instalaţiilor aferente centralelor hidroelectrice în scopul realizării mentenanţei predictive. În cazul hidroagregatelor, această activitate impune analize complexe ale stării tehnice a diferitelor componente. Controalele periodice ale hidroagregatelor se realizează cu dificultate datorită condiţiilor de funcţionare şi restricţiilor impuse exploatării (de ex. - timpul de indisponibilizare al agregatelor). O caracteristică specifică acestor controale o constituie faptul că investigaţiile trebuie efectuate fără demontarea subansamblelor analizate. În cadrul serviciilor tehnice ale sucursalelor SC HIDROELECTRICA SA sunt stocate sub formă de buletine de analiză sau rapoarte de exploatare rezultatele diverselor analize şi cercetări privind incidentele care au apărut în timpul exploatării hidroagregatelor. Această bancă de date stă la baza elaborării graficelor de reparaţii curente sau capitale ale hidroagregatelor, dar nu include încă rezultatele unor investigaţii termografice sistematice. Termografierea diferitelor componente şi subansambluri constituie o metodă modernă de evaluare a stării tehnice a hidroagregatelor, fără demontarea acestora. Prin urmărirea evoluţiei temperaturii în timpul funcţionării se pot obţine informaţii utile pentru programarea raţională a reparaţiilor curente sau capitale. 2. ELEMENTE DE TEHNOLOGIE TERMOGRAFICĂ În ansamblul metodelor de control nedistructiv, metodele bazate pe studiul distribuţiei unui flux termic în materialul sau produsul examinat, numite metode termice se extind în ritm accelerat, pe măsura reducerii preţului camerelor termografice de mare rezoluţie, specifice tehnologiei militare. Caracterizarea unui material cu ajutorul undelor termice se bazează pe corelaţia dintre modul de distribuţie a acestor unde şi proprietăţile analizate. Prezenţa unei discontinuităţi determină o anomalie în distribuţia fluxului termic şi implicit de temperatură în materialul examinat. Evidenţierea acestor anomalii furnizează informaţii utile privind dimensiunile, forma şi poziţia discontinuităţilor. Pe plan mondial există deja numeroase tehnici de control bazate pe metodele termice. In România acestea metode se folosesc deocamdată doar în medicină, în domeniul energeticii şi în domeniul militar.

3 Metodele termice de examinare nedistructivă a materialelor şi obiectelor pot fi clasificate în funcţie de scop în trei categorii: - metode de măsurare a temperaturii sau a fluxului termic radiant (termometrie, pirometrie etc.); - metode de vizualizare a distribuţiei temperaturii la suprafaţa unui corp (termoviziune, termografie cu cristale lichide etc.); - metode de vizualizare şi măsurare (termografie în infraroşu). În tabelul 1 se prezintă clasificarea metodelor termice de examinare nedistructivă folosite în tehnica modernă. Termografia în infraroşu este cea mai nouă metodă, având o vechime de numai 30 de ani. Datorită avantajelor pe care le oferă, domeniul său de utilizare se extinde vertiginos, pe fondul dezvoltării şi diversificării echipamentelor, în strânsă legătură cu dezvoltarea computerelor portabile, a programelor specializate şi a detectoarelor matriciale care nu necesită sisteme de răcire clasice, specifice tehnologiei militare. Tabelul 1. Clasificarea metodelor termice de examinare nedistructivă. Metoda de examinare Măsurarea unui parametru termic Vizualizarea unui câmp termic Măsurarea şi vizualizarea unui câmp termic Prin contact direct Termometrie prin contact (cu termometru, termocuplu etc.) Termografie cu substanţe sensibile (cu cristale lichide, peliculă de gheaţă) Termografie cu substante sensibile (vopsele termosensibile) Fără contact direct Pirometrie Radiometrie Fotometrie Radiotermometrie Termoviziune Radiografiere Fotografiere Termografie în infraroşu (cu cameră IR) Termografia în infraroşu constă în detectarea de la distanţă a radiaţiei emise de un corp supus examinării şi transformarea informaţiilor obţinute într-o imagine vizibilă pe care se pot pune în evidenţă eventualele discontinuităţi din corp. Pentru examinarea obiectelor foarte mici (de ex. microcircuitele electronice) se utilizează microscoapele în infraroşu sau camerele de luat vederi în infraroşu, care au o distanţă de focalizare mai mare. Acestea pot prelua imaginea termică globală a obiectului supus analizei cu o rezoluţie de temperatură de 0,2 C, care poate fi ameliorată prin interpolare digitală.

4 Termografierea în infraroşu, ca metodă de examinare nedistructivă, prezintă o serie de limite: costul ridicat al instalaţiei (de ordinul zecilor sau sutelor de mii de dolari); calificarea superioară a personalului operator (fizicieni sau ingineri) deoarece interpetarea rezultatelor necesită cunoştinţe complexe, adeseori interdisciplinare; posibilităţi de detectare a defectelor situate doar în apropierea suprafeţei; produsele cu suprafeţe lucioase nu pot fi examinate fără o pregătire prealabilă a suprafeţei; materialele cu o conductivitate termică foarte mare sau foarte mică nu pot fi examinate fără precauţii speciale etc. Aceste limite pot fi depăşite parţial cu ajutorul unor accesorii sau cu tehnologii speciale de examinare. Cu toate aceastea, domeniul de utilizare al termografierii în infraroşu se extinde continuu (fig.1) datorită avantajului de a permite examinarea rapidă a unor suprafeţe mari (uzual, o termogramă poate reprezenta orice suprafaţă cu o rezoluţie suficientă pentru scopuri practice). Imaginile oferite de camerele de luat vederi în infraroşu sunt comparabile cu imaginile preluate de camerele de filmat în domeniul vizibil sau cu cele fotografice clasice. Un echipament termografic dotat cu accesorii optice adecvate, portabil şi uşor de manevrat pe teren, asigură examinarea eficientă din avioane, elicoptere sau sateliţi. Fig.1. Principalele domenii de utilizare ale metodelor termice de examinare.

5 3. INVESTIGAŢII TERMOGRAFICE ÎN C.H.E. În cadrul lucrării au fost efectuate examinări termografice ale principalelor componente ale hidroagregatelor şi staţiilor electrice ale C.H.E. Goleşti, C.H.E. Piteşti şi C.H.E. Bascov aparţinând Sucursalei HIDROCENTRALE Curtea de Argeş precum şi ale C.H.E. Mărişelu aparţinând Sucursalei HIDROCENTRALE Cluj Structura şi performanţele echipamentelor de examinare termografică Un sistem pasiv de termografiere (fără sursă de căldură) cuprinde următoarele subsisteme: interfaţa optică, detectorul, sistemul de răcire al detectorului, blocul electronic pentru transformarea semnalelor termice în semnale electrice, dispozitivul de stocare a informaţiei etc. La echipamentele moderne aceste subsisteme sunt incluse întro cameră portabilă care include şi un microcontroler, astfel încât comenzile operative pot fi date fie de la tastatura aferentă camerei, fie de la un computer care permite comanda de la distanţă. În examinarea termografică a diverselor componente ale hidroagregatelor s-a folosit o cameră de luat vederi în infraroşu cu detector matriceal alcătuit din 256 x 256 elemente din silicat de platină (FPA), prezentată în figura 2. Fig.2. Radiometru cu detector ThermaCam PM 350.

6 Camera ThermaCam PM 350 este un radiometru cu detector cu ajutorul căruia se obţin imagini punct cu punct, fără o descompunere mecanică a imaginii obiectului. Informaţiile pot fi înregistrate pe cartele magnetice SRAM PCMCIA, sau vizualizate direct pe un ecran TV sau un display asociat cu o placă video VRC, pentru elaborarea analizei în timp real. Detectorul este răcit cu un microsistem integrat care funcţionează pe principiul Stirling (cu pompă cu heliu). Orientarea şi comanda camerei pot fi făcute direct, de la tastatura amplasată pe carcasa acesteia, sau cu un calculator portabil Rezultatele experimentărilor Rezultatele unor examinări tipice termografice întreprinse de autori sunt prezentate sub forma termogramelor componentelor studiate. Pe imagini s-au indicat punctele cele mai calde, care pot prezenta interes practic. În figura 3 este prezentată termograma barelor circuitului de ieşire ale unui hidrogenerator, în care se pot observa diferenţe de temperarură de cca 5 grade în zonele conexiunilor diferitelor faze. În figura 4 este prezentată o termogramă tipică pentru capetele de bară ale unui stator de generator, pe care sunt indicate valorile temperaturilor în puncte speciale. Fig.3. Termograma barelor circuitului de ieşire Fig.4. Termograma capetelor de bară În figura 5 este prezentată o termogramă a zonei periilor de contact al excitatoarei. Una din perii are un contact imperfect, astfel că temperatura în zonă este cu circa 20 0 C mai mare decât în zona similară a celeilalte perii. În figura 6 este prezentată o termogramă din zona conexiunilor bobinelor excitatricei. Un contact este

7 imperfect, iar diferenţa de temperatură este de circa 30 0 C. În figurile 7 şi 8 sunt prezentate termogramele din rona răcitoarelor hidrogeneratoarelor în care sunt puse în evidenţă neetanşeităţi ale tubulaturii răcitorului şi distribuţia de temperaturi pe un răcitor. Fig. 5. Termograma zonei periilor colectoare ale excitatoarei (contact imperfect) Fig.6. Termograma zonei conexiunilor bobinelor excitatoarei (contact imperfect ) Fig.7.Termograma tubulaturii răcitorului (etanşare defectă) Fig.8. Termograma unui răcitor (funcţionare asimetrică) În figura 9 este prezentată termograma din zona izolatoarelor transformatorului 20/6,3 kv în care unui din izolatoare are un contact imperfect. În figura 10 este prezentată termograma din zona celulei intrerupătorului în care este pus în evidenţă contactul imperfect al întrerupătorului pe una din faze. Termogramele unui lagăr radial supraîncălzit este prezentată în figurile 11 şi 12.

8 4. CONCLUZII Imaginile termografice ale echipamentelor examinate pun în evidenţă nivelul şi distribuţia temperaturii la suprafaţa acestora şi implicit indicaţii de defect specifice (neetanşeităţi, imperfecţiuni ale conexiunilor electrice, colmatări etc.). Examinările termografice au fost efectuate pentru hidroagregate funcţionînd la puterea nominală, după stabilizarea regimului termic al acestora. În perioada efectuării experimentărilor au fost puse în evidenţă următoarele aspecte: - efectuarea măsurătorilor nu impune realizarea unor dispozitive specifice, efectuarea unor lucrări specifice sau luarea unor măsuri speciale de protecţia muncii; Fig.9. Termograma izolatoarelor din Staţia Trafo 20/6,3kV (contact izolator defect) Fig.10. Termograma celulei întreruptorului (contact de intrerupăror defect)

9 Fig.11. Termograma unui lagăr radial supraâncălzit - examinarea este relevantă pentru echipamentul studiat dacă acesta funcţionează la puterea nominală o perioadă suficient de mare pentru stabilizarea regimului termic; Fig.12. Termograma unui lagăr radial supraâncălzit

10 - pentru efectuarea măsurătorilor nu sunt necesare surse auxiliare de energie, echipamentul de măsurare având posibilitatea să funcţioneze cu sursa proprie de energie. Examinarea termografică a echipamentelor din structura C.H.E. poate fi utilizată cu rezultate bune în cadrul programelor de mentenanţă predictivă specifică acestora. Durata unei examinări complete pentru toate echipamentele din cadrul unei CHE este de cca 6 ore. În concluzie, recomandăm introducerea obligatorie a unei inspecţii termografice periodice a echipamentelor specifice centralelor hidroelectrice. Pe baza rezultatelor astfel obţinute se vor putea adopta măsuri corective sau preventive care pot conduce la evitarea unor accidente cu implicaţii economice semnificative. Examinările termografice pot fi efectuate de persoanalul firmelor specializate sau de sucursalele HIDROELECTRICA care au în dotare echipamente de examinare termografică. 5. BIBLIOGRAFIE [1] Pajani, D. Mesure par thermographie infrarouge, ADD Le Plessis Robinson, Paris, 450p [2] Maldaque, X. - Nondestructive Evaluation of Materials by Infrared Thermography, Springer - Verlag London Limited, 300 pag [3] Maldaque, X., V., - Infrared Methodology, Nondistructive Testing Monographs and Tracts, Vol. 7, Gordon and Breach Science Publishers, USA, ISBN~ , 530 p., 1992 [4] Schlessinger, M. - Infrared Technology Fundamentals, Second Edition, Revised and Expanded, Marcel Dekker, Inc. Usa, ISBN , 422 p., [5] Gaussorgues, G., - Infrared Termography, Chapman Le Hall, Anglia ISBN , 520 p, [6] Siegel, R., Howell J.R., - Thermal Radiation Heat transfer, Third Edition, Taylor & Francis, ISBN , Londra-Anglia, 1072 p., [7] Balageas, D., Ory, D., Quelques ameliorations dans la determination des transferts convectifs a partir de la thermographie infrarouge. Extrait de la Recherche Aerospatiale p , No [8] McLaughlin, jr., P.V., Defect Detection and Quantification in Laminated Composites by EATF (Passive) Thermography, Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, vol. 7B, [9] Mihai Alexandrina Termografia în infraroşu. Editura Tehnică, Bucureşti, [10] Vasiliu, N., Călinoiu, C., Mihai, Al., Dumitraşcu C. Investigaţii termografice ale hidroagregatelor. Rapoarte de cercetare, Bucureşti,