RU2781177C1 - Method and system for monitoring the degree of wear of metal surfaces - Google Patents
Method and system for monitoring the degree of wear of metal surfaces Download PDFInfo
- Publication number
- RU2781177C1 RU2781177C1 RU2021117843A RU2021117843A RU2781177C1 RU 2781177 C1 RU2781177 C1 RU 2781177C1 RU 2021117843 A RU2021117843 A RU 2021117843A RU 2021117843 A RU2021117843 A RU 2021117843A RU 2781177 C1 RU2781177 C1 RU 2781177C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- impedance
- monitoring
- wear
- degree
- microprocessor
- Prior art date
Links
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 16
- 238000001453 impedance spectrum Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims abstract 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 10
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 claims description 5
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 claims description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 7
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000003449 preventive Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 abstract 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 13
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 8
- 210000003491 Skin Anatomy 0.000 description 6
- 230000003628 erosive Effects 0.000 description 4
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000005314 correlation function Methods 0.000 description 2
- 230000004059 degradation Effects 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- IYLGZMTXKJYONK-ACLXAEORSA-N (12s,15r)-15-hydroxy-11,16-dioxo-15,20-dihydrosenecionan-12-yl acetate Chemical compound O1C(=O)[C@](CC)(O)C[C@@H](C)[C@](C)(OC(C)=O)C(=O)OCC2=CCN3[C@H]2[C@H]1CC3 IYLGZMTXKJYONK-ACLXAEORSA-N 0.000 description 1
- 229920002574 CR-39 Polymers 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003534 oscillatory Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic Effects 0.000 description 1
- 230000003334 potential Effects 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к средствам контроля промышленных технологических процессов, а именно, раскрывает способ и систему, предназначенных для оценки степени износа металлической поверхности за счет измерения электрического сопротивления по переменному току в широком диапазоне частот.The invention relates to means for controlling industrial technological processes, namely, it discloses a method and a system designed to assess the degree of wear of a metal surface by measuring the electrical resistance to alternating current in a wide frequency range.
Металлические поверхности различных технических объектов (резервуары, экраны нагревательных котлов, стенки теплообменников и др.) могут испытывать термические, химические и механические нагрузки, что постепенно приводит к их деградации. В результате коррозии и/или эрозии появляются микротрещины, которые далее под воздействием высоких температур, вибраций и химических реакций увеличиваются в размере и превращаются в разрывы. В большинстве случаев, наличие сквозных отверстий поверхности снижает ее функциональность и требует проведения немедленного ремонта, в то время как локальная каверна с одной стороны существенным образом не ухудшает характеристик поверхности. Локализация первичной микротрещины обуславливается большим количеством факторов - исходной неоднородностью металла поверхности, составом рабочих сред, особенностями термодинамических процессов. Кроме того, образовавшиеся неоднородности могут демонстрировать различную скорость деградации.Metal surfaces of various technical objects (tanks, screens of heating boilers, walls of heat exchangers, etc.) can experience thermal, chemical and mechanical loads, which gradually leads to their degradation. As a result of corrosion and / or erosion, microcracks appear, which then, under the influence of high temperatures, vibrations and chemical reactions, increase in size and turn into gaps. In most cases, the presence of through holes in the surface reduces its functionality and requires immediate repair, while a local cavity on the one hand does not significantly impair the surface characteristics. The localization of the primary microcrack is determined by a large number of factors - the initial inhomogeneity of the surface metal, the composition of the working media, and the features of thermodynamic processes. In addition, the resulting inhomogeneities can demonstrate different degradation rates.
Существуют разные системы и методы для обнаружения коррозии, например, в российской разработке, раскрытой в патенте России №2705565 (а также, в ряде зарубежных патентов этой разработки; приоритет от 11.07.2017; опубликован 08.11.2019) предлагается способ управления скоростью коррозии за счет измерения значений электрохимического потенциала и удельной электропроводимости теплоносителя, автоматического усреднения указанных параметров и их сравнения с нормируемыми значениями, после чего принимаются решения, направленные на снижение скорости распространения коррозии. Данная разработка нацелена, прежде всего, на эксплуатационный контроль парогенераторов атомных станций.There are different systems and methods for detecting corrosion, for example, in the Russian development disclosed in the Russian patent No. 2705565 (as well as in a number of foreign patents of this development; measuring the values of the electrochemical potential and the specific electrical conductivity of the coolant, automatically averaging the indicated parameters and comparing them with the normalized values, after which decisions are made aimed at reducing the rate of corrosion propagation. This development is aimed primarily at the operational control of nuclear power plant steam generators.
В российской разработке, раскрытой в патенте России №2635343 (а также, ряде зарубежных патентов этой разработки; приор. 01.02.2013; заявка №2015136863 опубл. 07.03.2017) предлагается способ, устройство и компьютерная программа для определения местоположения поверхности раздела. Способ и устройство нацелены на обнаружение образований твердых осадков и/или износа в промышленных технологических процессах. Способ включает создание математической модели целевой области, определяющей, для множества пар групп электродов, характеристическую электрическую величину, пропорциональную емкости конденсатора, образованного парой групп электродов, при этом электроды расположены в соединении с целевой областью для измерения емкости и поддерживаются твердым опорным телом, имеющим граничную поверхность в целевой области.In the Russian development, disclosed in the Russian patent No. 2635343 (as well as a number of foreign patents of this development; prior 02/01/2013; application No. 2015136863 publ. 03/07/2017), a method, device and computer program for determining the location of the interface are proposed. The method and apparatus are aimed at detecting hard deposits and/or wear in industrial processes. The method includes creating a mathematical model of the target area, which determines, for a plurality of pairs of electrode groups, a characteristic electrical quantity proportional to the capacitance of a capacitor formed by a pair of electrode groups, while the electrodes are located in connection with the target area for capacitance measurement and are supported by a solid support body having a boundary surface in the target area.
Для обнаружения коррозионных изменений могут использоваться различные методы, в том числе, резистометрические измерения, основанные на измерении сопротивления металлических материалов, утончающихся вследствие воздействия коррозии и/или эрозии. Так идентифицируются повреждения в проволочных, трубных, ленточных и других изделиях. В частности, в патенте US4947132 «Метод определения вариаций толщины в трубах из проводящих материалов» (приоритет 25.11.1986 по заявке CH4710/86; опубл. 15.06.1989) описано использование переменного тока разных частот для идентификации изменения толщины труб на основе использования эффекта скин-слоя. В патенте GB2262608 (приор. 18.12.1991; опубл. 22.02.1995) описан способ определения толщины тел резистометрией в условиях нагрева. В заявке на патент на изобретение CN101846644 от 19.05.2010 (опубл. 29.09.2010) раскрыт прецизионно-резисторный способ онлайн мониторинга коррозии газо- и нефтепроводов, в котором учитывается влияние разностного и контактного потенциалов на чувствительные элементы резистивного зонда.Various methods can be used to detect corrosion changes, including resistometric measurements based on the measurement of the resistance of metallic materials thinning due to corrosion and/or erosion. This is how damages in wire, pipe, tape and other products are identified. In particular, US4947132 "Method for determining thickness variations in pipes made of conductive materials" (priority 11/25/1986 on the application CH4710/86; publ. 06/15/1989) describes the use of alternating current of different frequencies to identify changes in the thickness of pipes based on the use of the skin effect. -layer. Patent GB2262608 (prior. 12/18/1991; published 02/22/1995) describes a method for determining the thickness of bodies by resistometry under heating conditions. In the application for a patent for the invention CN101846644 dated May 19, 2010 (published on September 29, 2010), a precision-resistor method for online monitoring of corrosion of gas and oil pipelines is disclosed, which takes into account the effect of difference and contact potentials on the sensitive elements of the resistive probe.
Ни одно из выше перечисленных результатов интеллектуальной деятельности в научно-технической сфере не является аналогом или прототипом, однако они имеют некоторые общие черты. Они были исследованы для оценки возможности применения раскрытых в них решений для раннего обнаружения коррозионных и/или эрозионных изменений. К числу недостатков существующих решений можно отнести следующее:None of the above listed results of intellectual activity in the scientific and technical field is an analogue or a prototype, however, they have some common features. They were investigated to evaluate the applicability of the solutions disclosed therein for the early detection of corrosion and/or erosional changes. The disadvantages of existing solutions include the following:
- измерения, как правило, проводятся с использованием постоянного тока либо переменного тока в ограниченном диапазоне частот, что не позволяет одновременно идентифицировать системное утончение стенок на большой площади и возникающие микротерщины и каверны;- measurements, as a rule, are carried out using direct current or alternating current in a limited frequency range, which does not allow simultaneous identification of systemic wall thinning over a large area and emerging microfractures and cavities;
- при исследовании объектов со значительным температурным градиентом на величину сопротивления существенное влияние оказывают вариации температуры по толщине стенки, при этом сложная геометрическая конфигурация объекта мониторинга затрудняет модельное описание значений электрических сопротивлений по всему объему объекта контроля, даже при наличии температурных датчиков.- when studying objects with a significant temperature gradient, the resistance value is significantly affected by temperature variations across the wall thickness, while the complex geometric configuration of the monitored object makes it difficult to model the description of electrical resistance values throughout the entire volume of the controlled object, even in the presence of temperature sensors.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание технических средств для раннего обнаружения коррозионных и/или эрозионных изменений, как в виде сплошной коррозии/эрозии на больших поверхностях, так и локальных неоднородностей металлической поверхности на уровне микротрещины или каверны, в том числе в условиях высокого градиента температур в объекте контроля.The problem to which the invention is directed is the creation of technical means for the early detection of corrosion and/or erosion changes, both in the form of continuous corrosion/erosion on large surfaces, and local inhomogeneities of the metal surface at the level of microcracks or cavities, including under conditions high temperature gradient in the control object.
Технический результат, на решение которого направлено данное изобретение, заключается в повышении точности определения координат и размера дефектов, а также динамики развития неоднородности металлических поверхностей для своевременного контроля и планирования ремонтно-профилактических мероприятий. Технический результат использования способа достигается за счет того, что:The technical result, to which this invention is directed, is to increase the accuracy of determining the coordinates and size of defects, as well as the dynamics of the development of heterogeneity of metal surfaces for timely control and planning of repair and preventive measures. The technical result of using the method is achieved due to the fact that:
на первом этапе: оценивают показатели импеданса исправного (эталонного) объекта, который идентичен проверяемому объекту контроля, причем измеряют импеданс между электродом и всеми соседними с ними электродами по вертикали и горизонтали, а также по диагонали во всех направлениях, при этом для каждого межэлектродного участка формируется карта электронных импедансных спектров, измеренная при варьировании режимов работы по температуре и по частоте подаваемого тока в широкой частотной области (от десятков до миллионов Гц),at the first stage: the impedance indicators of a serviceable (reference) object are estimated, which is identical to the tested object of control, and the impedance between the electrode and all adjacent electrodes is measured vertically and horizontally, as well as diagonally in all directions, while for each interelectrode section a a map of electronic impedance spectra measured by varying the operating modes in terms of temperature and frequency of the supplied current in a wide frequency range (from tens to millions of Hz),
на втором этапе: оценивают показатели импеданса объекта контроля, причем измеряют импеданс между электродом и всеми соседними с ними электродами по вертикали и горизонтали, а также диагонали во всех направлениях, при варьировании режимов работы по температуре и по частоте подаваемого тока в широкой частотной области, при этом, значения импеданса каждого межэлектродного участка сравнивают с аналогичным значением из карты электронных импедансных спектров,at the second stage: the impedance indicators of the test object are estimated, and the impedance between the electrode and all electrodes adjacent to them is measured vertically and horizontally, as well as diagonally in all directions, while varying the operating modes in terms of temperature and frequency of the supplied current in a wide frequency range, with In this case, the impedance values of each interelectrode section are compared with a similar value from the map of electronic impedance spectra,
на третьем этапе: рассчитывают изменения сопротивления соответствующих участков объекта контроля относительно эталонного и выносят суждения о степени износа объекта контроля.at the third stage: the changes in the resistance of the corresponding sections of the control object relative to the reference are calculated and judgments are made on the degree of wear of the control object.
Кроме того, оценка показателей импеданса и наличия микродефектов может проводиться как с одной из сторон, к которой имеется доступ, так и одновременно с двух сторон объекта контроля. Зависимость импеданса от частоты пропускаемого тока для каждого участка получается путем развертки по частоте либо при помощи однократного импульса, преобразуемого в частотный спектр методом преобразования Фурье. При помощи сравнительного анализа импедансных спектров пересекающихся участков может быть построена карта дефектов объекта контроля, которая отражает расположение дефектов в виде 2-D изображения (карты дефектов объекта контроля), а также в виде расширенного 2-D изображения, включающего в себя визуальное отражение различных типов дефектов на карте дефектов объекта контроля. Также, на основе измеряемых в различные промежутки времени значений импеданса отдельных участков строятся графики Zn=f(t), которые аппроксимируются линейными или нелинейными трендовыми функциями, на основе которых определяется время, когда толщина стенки объекта контроля достигнет критического значения.In addition, the assessment of impedance and the presence of microdefects can be carried out both from one of the sides to which there is access, and simultaneously from both sides of the test object. The dependence of the impedance on the frequency of the transmitted current for each section is obtained by sweeping in frequency or using a single pulse converted into a frequency spectrum by the Fourier transform method. Using a comparative analysis of the impedance spectra of intersecting sections, a defect map of the test object can be built, which reflects the location of defects in the form of a 2-D image (defect map of the test object), as well as in the form of an extended 2-D image, which includes visual reflection of various types defects on the defect map of the control object. Also, based on the impedance values of individual sections measured at different time intervals, graphs Z n =f(t) are plotted, which are approximated by linear or non-linear trend functions, on the basis of which the time is determined when the wall thickness of the test object reaches a critical value.
Технический результат работы системы контроля степени износа металлических поверхностей достигается за счет того, что система содержит сенсоры, выполненные в виде, по крайней мере, пары электродов, покрывающие поверхность контролируемого устройства по крайней мере с одной из сторон, температурные датчики и генератор сигнала переменного тока, электронно-сопряженные с интегральной схемой, на которой реализованы программно сопряженные между собой мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, реализующий систему фильтрации и усреднения сигнала, и запоминающее устройство, предназначенное для хранения карты дефектов объекта контроля и сравнения с ними импедансных спектров, посредством алгоритма, реализуемого микропроцессором. Кроме того, генератор сигнала переменного тока также может быть реализован на программируемой логической интегральной схеме.The technical result of the system for monitoring the degree of wear of metal surfaces is achieved due to the fact that the system contains sensors made in the form of at least a pair of electrodes covering the surface of the controlled device on at least one side, temperature sensors and an alternating current signal generator, electronically coupled with an integrated circuit, on which a multiplexer, an analog-to-digital converter, a microprocessor that implements a signal filtering and averaging system, and a memory device designed to store a defect map of the test object and compare impedance spectra with them are implemented, using an algorithm implemented by the microprocessor. In addition, the AC signal generator may also be implemented on a programmable logic integrated circuit.
Частным случаем системы контроля степени износа металлических поверхностей, является система мониторинга коррозии экранных поверхностей топочных камер. Работа системы основана на принципе увеличения электрического сопротивления участка проводящей поверхности при уменьшении ее толщины или возникновении дефектов на поверхности. Основу системы составляют сенсоры, покрывающие внешнюю сторону поверхности контролируемого устройства, то есть экрана топочной камеры (фигура 1, где 1. сенсоры и термодатчики, 2. Контроллеры, 3. Блок управления, 4. Информационная система станции, 5. Диспетчер).A special case of the system for monitoring the degree of wear of metal surfaces is the system for monitoring the corrosion of screen surfaces of combustion chambers. The operation of the system is based on the principle of increasing the electrical resistance of a section of the conductive surface with a decrease in its thickness or the appearance of defects on the surface. The system is based on sensors that cover the outer side of the surface of the controlled device, that is, the screen of the combustion chamber (figure 1, where 1. sensors and temperature sensors, 2. Controllers, 3. Control unit, 4. Station information system, 5. Dispatcher).
В данном варианте реализации сенсор 1 представляет собой пару электродов, а также включает температурный датчик, например, в виде термопары. Для измерения сопротивления используется электропотенциальный метод с использованием четырех электродов. По паре электродов подводится ток, а два других используются для измерения разности потенциалов. Общее количество сенсоров 1, например, для большого энергетического котла составлять более 500 единиц. Подача тока и измерение разности потенциалов происходит с использованием мультиплексора последовательно по расположению электродов, которые закреплены с внешней стороны топочной камеры, то есть реализованы на интегральной схеме и программно-сопряжены с АЦП и микропроцессором. Система контролирует незначительные изменения в сопротивлении (микроомы) при утончении стенок и возникновении каверн и тем самым позволяет достоверно оценивать скорость коррозии. Непосредственно около стенок котла, размещаются шкафы для управления и сбора информации с сенсоров (блоки управления) 3, в которых аккумулируется информация со всех контроллеров и которые являются элементами инфраструктуры станции и, например, могут относится к системе удаленного мониторинга энергетических установок (см. патент на изобретение RU2626780 от 15.07.2016 опубл. 0.08.2017). Интегральная схема (в нашем случае, ПЛИС, которая обеспечивает программно-электронное сопряжение), электронно-сопряжена как минимум с одним температурным датчиком.In this embodiment, the
Система контроля степени износа металлических поверхностей измеряет изменения напряжения до уровня микровольт и поэтому чувствительна к помехам. Чтобы противодействовать этому, используется фильтрация и усреднение сигналов там, где это необходимо, а кабели сигналов при необходимости экранированы. Большие токи помогают смягчить этот эффект, создавая более высокие измеренные напряжения, улучшая отношение сигнал/шум.The metal wear monitoring system measures voltage changes down to the microvolt level and is therefore sensitive to interference. To counteract this, signal filtering and averaging is used where necessary, and signal cables are shielded where necessary. Higher currents help mitigate this effect by producing higher measured voltages, improving the signal-to-noise ratio.
Рассмотрим подробнее один из вариантов реализации способа контроля степени износа металлических поверхностей. Так, согласно способу, импеданс измеряют между электродом и всеми соседними с ними электродами по вертикали и горизонтали, а также по диагонали во всех направлениях, то есть, имеется несколько участков для измерения импеданса: между каждым электродом и соседними с ним электродами по вертикали и горизонтали; между каждым электродом и соседними с ним электродами по вертикали, горизонтали и диагонали; между каждым электродом и соседними с ним электродами по вертикали, горизонтали и диагонали и, дополнительно, между каждым электродом и электродами расположенными на 2 шага выше/ниже и на 1 шаг вправо/влево и на 2 шага вправо/влево и на 1 шаг выше/ниже, что проиллюстрировано на фигуре 2.Let us consider in more detail one of the options for implementing the method for monitoring the degree of wear of metal surfaces. So, according to the method, the impedance is measured between the electrode and all electrodes adjacent to them vertically and horizontally, as well as diagonally in all directions, that is, there are several sections for measuring the impedance: between each electrode and the electrodes adjacent to it vertically and horizontally ; between each electrode and adjacent electrodes vertically, horizontally and diagonally; between each electrode and adjacent electrodes vertically, horizontally and diagonally and, additionally, between each electrode and electrodes located 2 steps higher/lower and 1 step right/left and 2 steps right/left and 1 step higher/ below, which is illustrated in figure 2.
Эквивалентная схема участка мониторинга (части поверхности) может быть представлена в виде колебательного контура с индуктивной (L), реактивной (R) и емкостной (С) составляющими, представленная на фигуре 3.The equivalent circuit of the monitoring area (part of the surface) can be represented as an oscillatory circuit with inductive (L), reactive (R) and capacitive (C) components, shown in figure 3.
Параметры эквивалентной схемы, в первую очередь Rэкв зависят от частоты тока ω=2πf. Величины индуктивной и емкостной составляющих схемы замещения определяются геометрией проводящей поверхности объекта мониторинга, в частности его шероховатостью (изношенностью), наличием микротрещин, щелей и т.д.The parameters of the equivalent circuit, primarily R equiv , depend on the frequency of the current ω=2πf. The values of the inductive and capacitive components of the equivalent circuit are determined by the geometry of the conducting surface of the monitoring object, in particular, its roughness (wear), the presence of microcracks, crevices, etc.
С увеличением частоты тока, подводимого к электрическим контактам на поверхности объекта мониторинга, происходит уменьшение толщины скин-слоя, что, в свою очередь, ведет к росту активной составляющей сопротивления при наличии дефектов на поверхности объекта мониторинга. Из приведенной схемы замещения объекта мониторинга следует, что в силу параллельного соединения звеньев цепи увеличение активного сопротивления при нагреве материала повышает влияние реактивной составляющей, связанной с дефектом в виде щели на характер импеданса цепи:With an increase in the frequency of the current supplied to the electrical contacts on the surface of the monitored object, the thickness of the skin layer decreases, which, in turn, leads to an increase in the active component of the resistance in the presence of defects on the surface of the monitored object. It follows from the above equivalent circuit of the monitoring object that, due to the parallel connection of the circuit links, an increase in the active resistance when the material is heated increases the influence of the reactive component associated with a defect in the form of a gap on the nature of the circuit impedance:
С ростом f влияние реактивной компоненты на импеданс 
Эффект от изменения импедансных характеристик схемы замещения из-за дефектов, например, щели размерами 3×3×0,1 мм (ширина×глубина×толщина), наиболее заметен на частотах в диапазоне от нескольких MГц. Кроме того, толщина скин-слоя на частоте 100 Гц для стали марки 12X1МФ составляет около 0,5 мм, что в 35-40 раз больше, чем на частоте 10 МГц.The effect of changing the impedance characteristics of the equivalent circuit due to defects, for example, slots with dimensions of 3 × 3 × 0.1 mm (width × depth × thickness), is most noticeable at frequencies in the range of several MHz. In addition, the thickness of the skin layer at a frequency of 100 Hz for steel grade 12X1MF is about 0.5 mm, which is 35–40 times greater than at a frequency of 10 MHz.
Степень износа объекта мониторинга (наличие трещин) можно определить по характерной форме импедансного спектра, и по нарастанию Rэкв с увеличением частоты тока через объект мониторинга. Сравнение формы измеренной зависимости Z(ω) импедансного спектра с формой эталонного импедансного спектра для оценки наличия дефектов возможно при помощи корреляционной функцииThe degree of wear of the monitored object (the presence of cracks) can be determined by the characteristic shape of the impedance spectrum, and by the increase in Req with increasing frequency of the current through the monitored object. Comparison of the shape of the measured dependence Z(ω) of the impedance spectrum with the shape of the reference impedance spectrum to assess the presence of defects is possible using the correlation function
где 
Таким образом, отклонения от эталона в низкочастотной части спектра свидетельствуют об изменении омического сопротивления, что означает истончение стенки на значительном протяжении измеряемого участка, тогда как отклонения на высоких частотах указывают на возникновение локальных дефектов, таких как трещины, каверны и т.д.Thus, deviations from the standard in the low-frequency part of the spectrum indicate a change in ohmic resistance, which means thinning of the wall over a significant length of the measured area, while deviations at high frequencies indicate the occurrence of local defects, such as cracks, cavities, etc.
Для объектов контроля, функционирующих в переменном температурном режиме, библиотека эталонных спектров собирается для ряда режимов его работы с частотой, определяемой температурными коэффициентами электрического сопротивления материалов, входящих в состав объекта контроля. Получаемая в результате измерений библиотека спектров имеет вид матрицы, где параметрами являются номер участка объекта контроля и температурный режим, каждой паре которых соответствует свой импедансный спектр.For control objects operating in a variable temperature regime, a library of reference spectra is collected for a number of modes of its operation with a frequency determined by the temperature coefficients of the electrical resistance of the materials that make up the control object. The library of spectra obtained as a result of measurements has the form of a matrix, where the parameters are the number of the section of the test object and the temperature regime, each pair of which corresponds to its own impedance spectrum.
В процессе эксплуатации объекта контроля проводится измерение импедансных спектров участков, эталонные импедансные спектры которых имеются в библиотеке импедансных спектров. Периодичность измерений определяется потенциальной скоростью коррозии объекта контроля, но составляет не менее 1 раза в час для каждого участка. Переключение между измеряемыми участками происходит при помощи мультиплексора. Из библиотеки выбирается спектр, соответствующий температурному режиму при котором производилось измерение. Проводится сравнение импеданса при различных частотах с эталонными значениями. Увеличение импеданса на низких частотах (50-500 Гц) по сравнению с эталонными значениями, эквивалентное увеличению активного омического сопротивления, на 5-10% свидетельствует о наличии систематического истончения стенок на измеряемом участке. Увеличение высокочастотной составляющей импеданса (100 КГц- 1 МГц) на 5-10% свидетельствует о наличии микродефектов (трещины, каверны) размером в несколько миллиметров. Увеличение импеданса по всему спектру свидетельствует о наличии обоих видов дефектов.During the operation of the control object, the impedance spectra of sections are measured, the reference impedance spectra of which are available in the library of impedance spectra. The frequency of measurements is determined by the potential corrosion rate of the test object, but is at least 1 time per hour for each section. Switching between the measured sections occurs using a multiplexer. A spectrum corresponding to the temperature regime at which the measurement was made is selected from the library. The impedance at different frequencies is compared with reference values. An increase in impedance at low frequencies (50-500 Hz) compared to the reference values, equivalent to an increase in active ohmic resistance, by 5-10% indicates the presence of a systematic thinning of the walls in the measured area. An increase in the high-frequency component of the impedance (100 kHz - 1 MHz) by 5-10% indicates the presence of microdefects (cracks, cavities) several millimeters in size. An increase in impedance over the entire spectrum indicates the presence of both types of defects.
В отличие от способа, основанного на измерении омического сопротивления постоянному току или переменному току единственной низкой частоты, предложенный способ позволяет одновременно и более точно оценивать степень общего износа (уменьшение толщины) и определять наличие неоднородностей на поверхности объекта мониторинга.Unlike the method based on measuring the ohmic resistance to direct current or alternating current of a single low frequency, the proposed method allows you to simultaneously and more accurately assess the degree of general wear (thickness reduction) and determine the presence of inhomogeneities on the surface of the monitored object.
В ряде случаев размещение сенсоров возможно только с одной стороны объекта контроля, что делает невозможных измерение импеданса скин-слоя и прямой контроль микродефектов на противоположной стороне. Способ в этом случае основан на том, что ток между электродами, расположенными на краях поверхности будет распространяться по обеим сторонам объекта контроля. Импеданс, также, как и омическое сопротивление отдельных участков между краями измеряемой поверхности связан с общим импедансом соотношением.In some cases, the placement of sensors is possible only on one side of the test object, which makes it impossible to measure the impedance of the skin layer and directly control microdefects on the opposite side. The method in this case is based on the fact that the current between the electrodes located at the edges of the surface will propagate on both sides of the test object. The impedance, as well as the ohmic resistance of individual sections between the edges of the measured surface, is related to the total impedance by the ratio.
где 
Для определения коэффициентов
Для переменного тока высокой частоты общий импеданс будет зависеть не только от импеданса скин-слоя, находящегося между электродами на стороне, где закреплены электроды, но и от импеданса противоположной стороны экранаFor high frequency alternating current, the total impedance will depend not only on the impedance of the skin layer located between the electrodes on the side where the electrodes are fixed, but also on the impedance of the opposite side of the screen
где 
При использовании переменного тока высокой частоты, исходя из значений Z при разных температурах и ранее рассчитанных коэффициентов 
Импедансный спектр может быть получен с использованием Фурье-преобразования подаваемого на датчики прямоугольного сигналаThe impedance spectrum can be obtained using the Fourier transform of a rectangular signal applied to the sensors
Для сигнала в виде последовательности прямоугольных импульсов со скважностью 
как периодического, можно представить экспоненциальным рядом Фурье:as a periodic one can be represented by an exponential Fourier series:
где c учетом 
Полученный набор сигналов различных частот используется для создания эталонного спектра и спектров, получаемых с работающего оборудования.The received set of signals of different frequencies is used to create the reference spectrum and the spectra obtained from the operating equipment.
Заявляемый способ позволяет с высокой точностью определить локацию дефекта на объекте контроля. Для этого проводится анализ изменения импедансов соседних и пересекающихся участков, где проводится измерение импедансов. В зависимости от характера взаимной корреляции этих изменений делается вывод о расположении возникающих дефектов. Например, изменение импеданса только на одном участке свидетельствует расположении небольшого дефекта именно между этими сенсорами, а одновременное изменение на сопоставимые величины на двух параллельных участках говорит о наличии дефекта между ними.The proposed method allows to determine the location of the defect on the test object with high accuracy. To do this, an analysis of the change in the impedances of adjacent and intersecting sections is carried out, where the impedances are measured. Depending on the nature of the cross-correlation of these changes, a conclusion is made about the location of the emerging defects. For example, a change in the impedance in only one section indicates the location of a small defect precisely between these sensors, and a simultaneous change by comparable values in two parallel sections indicates the presence of a defect between them.
Для обратной стороны объекта контроля, где сенсоры расположены только на краях, вероятные места дефектов определяются на пересечениях участков, где происходит изменение импеданса.For the reverse side of the test object, where the sensors are located only at the edges, the probable defect locations are determined at the intersections of the sections where the impedance changes.
Расположение дефектов может быть отражено визуально на «карте электронных импедансных спектров» (расширенное 2-D изображение) при помощи различных цветов либо изолиний, где цвет либо изолиния соответствует изменению импеданса и, соответственно, глубине коррозии. Кроме того, различными слоями могут отображаться дефекты, соответствующие изменению омического сопротивления (системное истончение стенок) и дефекты в виде трещин и каверн, соответствующие изменениям высокочастотного импеданса.The location of defects can be reflected visually on the "map of electronic impedance spectra" (expanded 2-D image) using different colors or isolines, where the color or isoline corresponds to the change in impedance and, accordingly, the depth of corrosion. In addition, defects corresponding to a change in ohmic resistance (systemic wall thinning) and defects in the form of cracks and cavities corresponding to changes in high-frequency impedance can be displayed in different layers.
Данные импедансных спектров измеряемых участков объекта контроля, собранные в различные временные промежутки накапливаются. В частном случае, для экономии памяти и улучшения быстродействия, могут накапливаться не полные частотные спектры, а величины импеданса, полученные для нескольких характеристических частот. Строится зависимость импедансов на этих частотах от времени (либо от числа часов работы объекта контроля), на основе зависимостей выводятся тренды, которые могут быть линейными либо описываться более сложными функциями. Предельно допустимые значения изменений импеданса на различных частотах могут рассчитываться автоматически (например, на основе формулы Ома) либо определяться экспертно, если речь идет об объектах контроля со сложной геометрией, таких как топочные экраны котлов. Расчеты на основе полученных функций позволяют определить время достижения критических значений толщины стенок, когда необходимы остановка и ремонт объекта контроля.The data of the impedance spectra of the measured sections of the test object, collected at different time intervals, are accumulated. In a particular case, to save memory and improve performance, not full frequency spectra can be accumulated, but impedance values obtained for several characteristic frequencies. The dependence of the impedances at these frequencies on time (or on the number of hours of operation of the control object) is built, and trends are derived based on the dependences, which can be linear or described by more complex functions. The maximum allowable values of impedance changes at different frequencies can be calculated automatically (for example, based on the Ohm formula) or determined by an expert when it comes to control objects with complex geometry, such as boiler furnace screens. Calculations based on the obtained functions make it possible to determine the time to reach the critical values of the wall thickness, when it is necessary to stop and repair the test object.
Раскрытый в формуле изобретения способ контроля степени износа металлических поверхностей может быть реализован посредством применения раскрытой в формуле изобретения системы, что не отменяет возможности усовершенствования раскрытых системы и способа. Кроме того, следует понимать, что вышеописанные варианты реализации описаны в качестве иллюстрации и предполагают многие модификации и вариации.The method disclosed in the claims for monitoring the degree of wear of metal surfaces can be implemented by using the system disclosed in the claims, which does not negate the possibility of improving the disclosed system and method. In addition, it should be understood that the above described embodiments are described by way of illustration and assume many modifications and variations.
Claims (11)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2781177C1 true RU2781177C1 (en) | 2022-10-07 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2801477C1 (en) * | 2022-12-22 | 2023-08-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский педагогический государственный университет" (МПГУ) | Method for determining degree of local cracking of plasmon metal coating deposited on dielectric substrate and method for obtaining reference coating for its implementation |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4726247B2 (en) * | 2008-05-12 | 2011-07-20 | 公益財団法人鉄道総合技術研究所 | Crack monitoring material and crack monitoring system |
| RU2449264C1 (en) * | 2011-01-11 | 2012-04-27 | Открытое акционерное общество "Иркутский научно-исследовательский и конструкторский институт химического и нефтяного машиностроения" (ОАО "ИркутскНИИхиммаш") | Method of monitoring corrosive state of pipeline |
| RU2686570C1 (en) * | 2018-05-21 | 2019-04-29 | Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" | Method for non-destructive defectoscopy of aluminum electrolyser anode |
| RU2718136C1 (en) * | 2019-10-08 | 2020-03-30 | Общество с ограниченной ответственностью "Газпромнефть Научно-Технический Центр" (ООО "Газпромнефть НТЦ") | Method and device for monitoring of technical condition of internal protective-insulating coatings of operating field pipelines |
| RU2731030C1 (en) * | 2019-10-21 | 2020-08-28 | Алексей Алексеевич Лачинов | Method of resistive non-destructive testing |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4726247B2 (en) * | 2008-05-12 | 2011-07-20 | 公益財団法人鉄道総合技術研究所 | Crack monitoring material and crack monitoring system |
| RU2449264C1 (en) * | 2011-01-11 | 2012-04-27 | Открытое акционерное общество "Иркутский научно-исследовательский и конструкторский институт химического и нефтяного машиностроения" (ОАО "ИркутскНИИхиммаш") | Method of monitoring corrosive state of pipeline |
| RU2686570C1 (en) * | 2018-05-21 | 2019-04-29 | Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" | Method for non-destructive defectoscopy of aluminum electrolyser anode |
| RU2718136C1 (en) * | 2019-10-08 | 2020-03-30 | Общество с ограниченной ответственностью "Газпромнефть Научно-Технический Центр" (ООО "Газпромнефть НТЦ") | Method and device for monitoring of technical condition of internal protective-insulating coatings of operating field pipelines |
| RU2731030C1 (en) * | 2019-10-21 | 2020-08-28 | Алексей Алексеевич Лачинов | Method of resistive non-destructive testing |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2801477C1 (en) * | 2022-12-22 | 2023-08-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский педагогический государственный университет" (МПГУ) | Method for determining degree of local cracking of plasmon metal coating deposited on dielectric substrate and method for obtaining reference coating for its implementation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2897144C (en) | Method and apparatus for determining the location of an interface of interest, and computer program | |
| Sposito et al. | Potential drop mapping for the monitoring of corrosion or erosion | |
| EP2800963B1 (en) | Monitoring a conductive fluid conduit | |
| US6420867B1 (en) | Method of detecting widespread fatigue and cracks in a metal structure | |
| EP2270483B1 (en) | Method and device for monitoring a zone of metal | |
| EP1027598B1 (en) | Absolute property measurement with air calibration | |
| CA2455206C (en) | Method for the analysis and monitoring of the partial discharge behavior of an electrical operating means | |
| CN104502446A (en) | Method for predicting service conditions of high-temperature alloy coating based on nondestructive testing technology | |
| EP3087353A1 (en) | Method and system for multi-phase flow measurement | |
| JP2015099083A (en) | Acid dew point corrosion evaluation apparatus and acid dew point corrosion evaluation method | |
| CA2711951C (en) | Localized corrosion monitoring device for limited conductivity fluids | |
| Gan et al. | Investigation of pitting corrosion monitoring using field signature method | |
| EA022686B1 (en) | A probe indicating intermaterial boundaries | |
| US7106055B2 (en) | Fabrication of samples having predetermined material conditions | |
| KR101037135B1 (en) | method and apparatus for concrete air-voids detecting | |
| Yin et al. | Corrosion depth inversion method based on the lift-off effect of the capacitive imaging (CI) technique | |
| RU2781177C1 (en) | Method and system for monitoring the degree of wear of metal surfaces | |
| JP2013019841A (en) | Defect evaluation method for structure | |
| Goldfine et al. | Dielectrometers and magnetometers suitable for in-situ inspection of ceramic and metallic coated components | |
| CN112857712B (en) | Cross-plane array sensor for leakage monitoring of buried horizontal oil tank | |
| RU2449264C1 (en) | Method of monitoring corrosive state of pipeline | |
| Goldfine et al. | Introduction to the Meandering Winding Magnetometer (MWM) and the grid measurement approach | |
| RU187120U1 (en) | A device for detecting local defects in a conductive coating based on capacitance measurements using an induction electrode | |
| JP2013228119A (en) | Method and device for diagnosis of crack and damage of boiler heat transfer tube | |
| RU2686570C1 (en) | Method for non-destructive defectoscopy of aluminum electrolyser anode |