ОПТИМИЗАЦИЯ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ

Абрамова Е.В., д.т.н., НПО «Институт термографии», Москва

Статья опубликована в журнале "Территория NDT" (январь-март 2012).

Повышение надежности и эффективности эксплуатации объектов различных отраслей промышленности в течение всего необходимого срока службы является важнейшей народно-хозяйственной проблемой. Она решается только при комплексной диагностике объектов, несущих в себе потенциальную возможность создания аварийной ситуации с финансовыми и даже человеческими потерями. К. проблеме технической надежности вплотную примыкают задачи обеспечения энергетической и экологической безопасности.

В настоящее время в России сложилась чрезвычайно опасная ситуация, вызванная тем, что значительная часть основных фондов в стране превысила допустимый ресурс эксплуатации. Данное обстоятельство подтверждается все возрастающим количеством аварий и техногенных катастроф, ухудшением экологической ситуации, снижением производительности, эффективности, высокой энергоемкостью оборудования и нерациональным использованием энергетических ресурсов.

В электроэнергетике износ основных фондов самый высокий и приближается к 60%, поэтому своевременная диагностика оборудования - жизненно необходимый фактор.

При этом нарушение правил эксплуатации электрооборудования в 2009 г. стало причиной каждого пятого пожара (19,4%), а ущерб от них составил 33,3% общего материального ущерба по стране. Наиболее пожароопасным элементом электроустановок зданий является электропроводка, на долю которой приходится примерно 40% всех пожаров и возгораний, связанных с электрооборудованием и электроустройствами, что говорит об актуальности их своевременной диагностики.

Одна из важнейших стратегических задач страны, поставленная президентом, - сокращение энергоемкости отечественной экономики на 40% к 2020 г. Для ее реализации необходимо создание совершенной системы управления энергосбережением. Экономический эффект (в текущих ценах) в 2010-2020 гг. составит 9 691 млрд. руб.

Это подтверждается законодательными актами, в том числе положениями «Энергетической стратегии России на период до 2020 года», Федеральным законом Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261 ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ».

На сегодняшний день энергоэффективность и энергосбережение входят в пять стратегических направлений приоритетного технологического развития, названных президентом РФ Дмитрием Медведевым на заседании Комиссии по модернизации и технологическому развитию экономики России, которая состоялась 18 июня 2010 г.

Принятие закона регламентирует проведение мероприятий по определению параметров энергоэффективности энергопотребляющих объектов: это производственное оборудование, промышленные сооружения, объекты электроэнергетики, жилищного сектора и т.п. Например, утепление стен жилых домов старого фонда до современных требований по сопротивлению теплопередаче позволяет снизить потери тепла через них на 60-70%.

Одним из основных методов диагностики безопасности эксплуатации и оценки параметров энергоэффективности указанных объектов является тепловой контроль (ТК). Он позволяет выбрать оптимальные температурные нагрузки их функционирования, выявить и определить степень опасности де-фектных узлов по признакам их перегрева по отношению к качественным зонам, обнаружить утечки тепла через ограждающие конструкции зданий, оценить энергетические потери объектов и т.п.

Широкое применение ТК, несмотря на его перспективность и наличие современного парка программно-аппаратных средств, разнообразного как по техническим характеристикам, так и по стоимости, сдерживается в силу основных причин:

• в настоящее время акцент в исследованиях делается на аппаратуру контроля и методы первичной обработки информации, и практически отсутствует анализ структуры материалов и изделий на основе данных неразрушающего контроля;
• отсутствует комплексный подход к внедрению ТК в различных отраслях народного хозяйства;
• отсутствуют надежные, аттестованные технологии ТК для большинства объектов;
• ТК ведется персоналом, не получившим специального обучения и не прошедшего сертификацию.

Развитие метода требует комплексного подхода и включает следующие направления работ, связанные между собой конечной задачей (обеспечение безопасности: технической, энергетической, экологической), общей стратегией и удовлетворяющие принципу концептуального единства:

• глобальные задачи обеспечения безопасности функционирования различных объектов, используемых людьми в процессе жизнедеятельности;
• изучение объекта контроля и определение требований к нему;
• анализ возможных дефектов и определение степени их критичности;
• определение информационных параметров критичных дефектов по отношению к физическому полю;
• обоснование задач контроля, выбор метода или группы методов неразрушающего контроля и диагностики;
• оптимизация параметров аппаратуры для обнаружения и идентификации дефектов;
• разработка методов обнаружения дефектов, определения их характеристик и оценки параметров качества контролируемого изделия;
• разработка технологий неразрушающего контроля и диагностики: создание методик контроля, их отработка на образцах и реальных объектах и последующая аттестация с определением метрологических характеристик получаемых результатов на предмет установления соответствия заявленным в ней показателям их фактическим значениям;
• обучение персонала для проведения диагностики, определение уровня его квалификации и сертификация;
• предоставление полномочий для проведения неразрушающего контроля и диагностики организациям (или их структурным подразделениям) путем их аккредитации в выбранной системе оценки соответствия;
• проведение работ по неразрушающему контролю и диагностике различных объектов в соответствии с разработанной методикой;
• оценка качества работы персонала неразрушающего контроля с точки зрения обеспечения корректности измерений, достоверности результатов, обоснованности и полноты заключений по определению степени дефектности контролируемого объекта и оценке его технического состояния, выбор наиболее квалифицированного персонала для проведения диагностики;
• корректировка технологии контроля и диагностики по результатам работ лучшего специалиста;
• выдача заключения по техническому состоянию контролируемого объекта.

На этой базе строится прогнозирование ресурса и обеспечение безопасной эксплуатации (технической, энергетической, экологической) объектов различных отраслей промышленности, энергетики, строительства и транспорта.

Несмотря на все расширяющийся объем применения теплового контроля, проблемы повышения его качества ставятся все более остро. Это связано с большим разнообразием контролируемых объектов, появлением на рынке относительно дешевых приборов, не решающих проблемы достоверности контроля многих крупногабаритных технических устройств, зданий и сооружений, сложных по конструкции и составу материалов, а также обусловлено отсутствием в достаточном количестве методик контроля и квалифицированного персонала. В силу этих причин необходимы оптимизация технологий ТК и программноаппаратных средств под конкретные объекты, обучение и отбор персонала для его проведения с необходимой точностью, анализ и совершенствование навыков экспертов - дефектоскопистов, выполняющих собственно процесс контроля. Все это требует принципиально нового подхода к управлению и реализации оптимальных диагностических систем ТК.

Существующие технологии ТК имеют большой резерв с точки зрения повышения достоверности, информативности, расширения области применения, в том числе за счет применения математического моделирования, оперативного уточнения и адаптации режимов контроля, совершенствования параметров аппаратных средств применительно к решаемым задачам контроля, совершенствования процесса организации контроля и т.п.

На основе анализа современного состояния теплового контроля сформулированы задачи, решение которых позволит оптимизировать диагностические системы теплового контроля с учетом свойств объектов, применяемых расчетных методов теплопередачи, используемой аппаратуры и наличия подготовленного персонала, так как любые совершенные модели и уникальные приборы «работают» только в руках квалифицированных специалистов.

Конечная цель любого метода Н К - не просто выявить дефект, а оценить его влияние на остаточный ресурс, объект контроля.

Опорной точкой при разработке технологии является информация о контролируемом объекте, его составе, геометрических размерах, теплофизических характеристиках, условий, в которых он находится, эксплуатационных нагрузках, возможных дефектах и повреждениях, параметрах, определяющих исправное, т.е. «качественное» состояние предмета диагностики.

Для анализа процессов, происходящих с контролируемым объектом, разработана комплексная математическая модель, позволяющая применять ее для конструкций, отличающихся различными свойствами. Она включает в себя моделирование процесса теплового контроля, расчет и выбор его режимов из условия минимизации погрешности результатов, анализ влияния человеческого фактора на конечные выводы, т.е. оценивание действий экспертов, проводящих контроль, и оптимизация их действий.

Указанная физико-математическая модель теплового контроля разработана на основе обратного дискретного преобразования Фурье и реализует численное описание процесса формирования температурного поля в многослойной области с дефектами, описывающей широкий класс объектов с различными характеристиками. Разработанная модель повышает быстродействие теоретического анализа в 50-100 раз по сравнению с традиционными (например, с часто применяемым методом конечных разностей) и обеспечивает погрешность расчетов не более 2-5%.

В разработанной модели любой многослойный объект представляется в виде суперпозиции однородных и приграничных слоев. Далее определяется тензор тепловой восприимчивости исследуемого объекта. Рассчитанные значения тензора восприимчивости с помощью амплитуд Фурье-гармоник плотности теплового потока используются для определения его значений при прохождении через стенку контролируемого объекта на полной временной сетке. На конечном этапе решения прямой задачи теплопроводности из полного набора рассчитанных значений плотности теплового потока выбираются лишь те, которые вычислены на заданном временном интервале.

Для разработки метода тепловой дефектометрии использован функционал правдоподобия, зависящий только от теплофизических характеристик слоев и параметров дефектов:

где S₁ , S₂ , S₃ - функции начальных температурных условий и характеристик слоев и дефектов.

На основе разработанной модели тепловой дефектометрии предложен новый метод определения точности решения обратной задачи от погрешности входных данных и начальных условий.

Исследованы методическая и приборная составляющие погрешности на искомый результат. Методическая ошибка задается методикой проведения вычислений с использованием подготовленных измерительных данных и появляется вследствие ограниченной точности численных методов.

Приборная ошибка определения конечного результата зависит от класса точности применяемых приборов. При проведении тепловой дефектометрии значительную часть измерений выполняют контактными приборами с электронной памятью - самописцами измерения температур и тепловых потоков, которые в данном случае выступают в роли источников приборной ошибки. В описанном методе определения погрешности результата в состав приборной ошибки также включена составляющая, вызванная процедурами предварительной обработки входных данных, такими как усреднение температурных серий, проводимое перед вычислениями.

По результатам исследований получено, что методическая погрешность составляет 3-5%. Она зависит от погрешности задания теплотехнических параметров исследуемой конструкции. Учет приборной составляющей, включающей искусственно введенную систематическую приборную погрешность 8, увеличивает погрешность вычисления сопротивления теплопередаче до 10-12%, что вполне приемлемо для использования на практике.

На процессы теплопередачи в многослойных объектах существенное влияние оказывает остаточная влага в слоях конструкции, что может значительно увеличивать теплопроводность материалов, что особенно важно оценивать при знакопеременных температурных нагрузках, воздействующих на контролируемый объект.

Для анализа этих процессов разработана физико-математическая модель для исследования явлений тепло- и влагопереноса во время фазовых переходов жидкость - твердое тело в многослойных объектах, при этом задача о перемещении границы раздела фаз решена как задача Стефана. Применение модели позволяет проводить численный анализ положения плоскости промерзания путем применения конечноразностной аппроксимация дифференциального уравнения теплопроводности и условий Стефана. Задача актуальна для проведения теплового контроля объектов, находящихся в натурных условиях эксплуатации.

Для теоретического анализа процесса теплового контроля разработан метод математического моделирования с использованием искусственных нейронных сетей с помощью разложения по собственным функциям задачи Штурма-Лиувилля, дополняющий существующие математические методы.

Основа нейронной сети заключается в том, чтобы изначально в качестве исходной информации наряду с входными данными иметь еще и конечный ответ и изучить отношения между входными и выходными данными. Впоследствии обученная сеть используется для предсказания результатов других наборов входных данных, где ответ еще неизвестен.

Для целей дефектоскопии решены задачи определения внутренних несплошностей материалов и конструкций как на основе решения обратных задач, так и по результатам прямых измерений температурных историй и реализаций тепловых потоков.

Разработаны следующие методы оптимизации технических параметров диагностических систем теплового контроля.

1. Метод оптимизации основных режимов проведения ТК.
   Включает метод обнаружения дефектов, определения характеристик дефектов, оценку пространственной и временной дискретности регистрации информации.
2. Метод оптимизации основных параметров аппаратуры ТК:
• параметров тепловизионной аппаратуры, представляющий собой достижение оптимального сочетания величин: поля обзора оптической системы тепловизионной аппаратуры, разрешающей способности по температуре, погрешности измерения температуры, геометрической разрешающей способности и поля обзора, частоты регистрации информации;
• параметров контактных преобразователей регистрации теплового потока и температуры для обеспечения корректного определения этих характеристик на основе анализа и коррекции возмущений температурного поля, вносимых преобразователем;
• времени и скорости прогрева стенки контролируемого объекта и параметров нагревателя (теплообменника) на основе решения краевой задачи нестационарной теплопроводности с использованием критериев Фурье и Вио;
• способа регистрации и обработки теплового изображения объектов при взаимном перемещении средств контроля и исследуемой поверхности с высокой скоростью относительно друг друга.
3. Метод оптимизации процесса аттестации методик ТК.
   Важнейшим этапом оптимизации процесса методик контроля является разработка методик контроля, учитывающих все особенности контролируемых объектов, параметры аппаратуры, режимы контроля и др., которые позволяют получить искомый результат с погрешностями, определяемыми нормативными документами. Подтверждение точности получаемых величин осуществляется на этапе сертификации методики НК на основе их метрологической аттестации, включающей: сопоставление характеристик реальных и эталонных дефектов, их площадей, координат и определение погрешности результатов контроля в зависимости от случайных изменений входных данных как при наличии эталонных образцов, так и при их отсутствии. Проведенные исследования и разработка соответствующих процедур позволяют оценивать достоверность методик теплового контроля как при наличии, так и в отсутствии эталона. На основании исследований в целях обеспечения независимости экспертизы методических документов по НК (МД по НК) разработан «Протокол балльной оценки методического документа по НК», позволяющий объективно оценивать полноту изложения положений МД по НК.
4. Метод оптимизации режимов работы операторов-дефектоскопистов и технологий контроля на основе методов статистики и теории оптимального управления.
   Важным фактором технологии теплового контроля, определяющим значительную часть погрешности результатов, является человеческий фактор. Для оценки качества работы и квалификации специалистов-операторов теплового контроля (как в период обучения, так и в производственном цикле контроля реальных объектов) на основе методов статистического анализа и оптимального управления в целях решения задачи дифференциации использования специалистов на предприятиях при обслуживании и обеспечении безопасной эксплуатации сложных технических систем обоснован и идентифицирован обобщенный критерий оценки качества управления процессом неразрушающего контроля, позволяющий классифицировать способы управления по степени их «агрессивности» по отношению к нему в рамках решения вопросов безопасного оперативного управления и обеспечения качества готовой продукции. Это позволяет оценить квалификацию оператора и принять управляющие решения по повышению качества контроля.

По результатам исследований разработаны методики комплексного теплового контроля, включающие: определение оптимальных параметров аппаратуры контроля, обнаружение дефектов, оптимальное измерение входной информации (температурных полей и теплового потока), выявление оптимальных режимов контроля, а также оценку и оптимизацию функци-онирования экспертов-дефектоскопистов.

Реализация указанных принципов легла в основу разработки технологий теплового контроля различных объектов. Рассмотрим примеры некоторых из них.

Рис. 1. Дефектные зоны на фланцевом соединении баллона под давлением, изготовленного из полимерного материала

1. Контроль макро- и микродефектов сосудов под внутренним давлением
   Применение теплового контроля позволяет обнаружить негерметичность фланцевых соединений (рис. 1), дефектов намотки и т.п. Увеличивается достоверность выявления дефектов и безопасность обслуживающего персонала.
2. Оценка качества и энергоэффективности строительных конструкций для заполнения энергетического паспорта
   Решается обратная задача нестационарной теплопроводности по измерительным и проектным данным, рассчитывают функционал правдоподобия и термическое сопротивление в этой зоне. Затем в соответствии с термограммами фасадов с учетом обнаруженных температурных аномалий определяют интегральную величину приведенного сопротивления теплопередаче R_пр). Технология используется при вводе зданий в эксплуатацию и заполнении «Энергетического паспорта здания». Разработан метод определения энергоэффективности строительных конструкций по результатам прямых измерений температурных полей и тепловых потоков (рис. 2).
3. Контроль технического состояния и безопасности эксплуатации электрооборудования на примере обнаружения дефектов и оценка безопасности функционирования электрических кабелей и электропроводки
   Технология применяется при анализе технического состояния и безопасности эксплуатации элект-роустановок зданий, оборудования подстанций, объектов промышленности (рис. 3). Контроль электроустановок зданий социальной сферы г. Москвы (детских садов, школ) показал, что в 40-45% имеются дефектные элементы и узлы. Контроль позволяет своевременно устранить дефекты, в том числе и аварийные с возможными человеческими жертвами.

Рис. 2. Фотография, термограмма и результаты контроля здания.

     

Рис. 3. Термограмма и фотография силового электрического кабеля с дефектом.







4. Контроль технического состояния теплотехнических инженерных систем и оборудования
   Инженерное оборудование, для которого применяют тепловой контроль (диагностика), объединено в 4 основных блока:
   1. дымовые, вентиляционные трубы и газоходы;
   2. теплофикационное оборудование (теплообменники, трубопроводы, отопительные приборы и др.);
   3. обмуровка и тепловая изоляция оборудования и трубопроводов;
   4. электрооборудование (электродвигатели, защитная и коммутационная аппаратура, проводка, контактные соединения и др.).

   Разработанная технология позволяет выбрать оптимальные характеристики и состав средств контроля, проводить оперативный мониторинг, корректно оценивать результаты. С помощью методик контроля дымовых труб и газоходов определяют дефектные зоны с погрешностью не более 15%.

5. Контроль концентраторов напряжений и дефектов сложных конструкций в условиях реальной эксплуатации при циклическом воздействии
   Технология используется для проведения предварительного контроля и выявления дефектных зон в конструкциях мостовых кранов (рис. 4). Конечным итогом диагностики является оценка остаточного ресурса конструкции, т.е. продолжительности работы до первого отказа (под отказом понимают момент времени, когда параметры хотя бы одного элемента ниже порогового значения). Оценка остаточного ресурса на примере объектов из полимерных композиционных материалов включает в себя соответствующие критерии:
   • в условиях отработки изделия - по результатам ускоренных испытаний;
   • в реальных условиях эксплуатации - по результатам измерений температурных полей объекта, его технического состояния и их ретроспективного анализа.

Рис. 4. Пример обнаружения дефекта (концентратора напряжения) в металлическом образце мостового крана при циклическом механическом воздействии.

Первый критерий. Ускорение испытаний достигается интенсификацией деградационных процессов путем создания такого ряда эксплуатационных нагрузок, которые оказывают наибольшее влияние на повреждающее воздействие применительно к данному изделию. В основе методов прогнозирования лежат математические модели изменения параметров объектов во времени, а также в зависимости от уровня внешних воздействующих факторов.

Второй критерий основан на ретроспективном анализе характерного информационного (температурного) параметра объекта. С помощью тепловизионной системы проводят измерения температурных полей поверхности в моменты времени:

t₀,t₁,t₂,......t_n.
t_i = t₀ + Δt_min xi; i=0,1,2,...,n,
t₀ - начальный момент измерения температурного поля.

При этом интервал времени Δt_k на к-м элементе (потенциально критически опасном дефекте) и минимальный интервал времени Δt_min, определяют по числу р критически опасных дефектов.

Далее приводят полученные температуры Т_maxk(t_i) к единым условиям измерений. Экстраполируют зависимость R_max(t_1i) по времени t и по выполнению условия R_max(t_1i) ≤ R_крит определяют остаточный ресурс - время выхода элемента из строя t_max.

Таким образом, принципы оптимизации включают в себя соот-ветствующие инженерные решения всех основных этапов процесса диагностики - от разработки технологии контроля до проведения аттестации и выбора квалифицированного персонала в целях оценки энергоэффективности, безопасности эксплуатации и остаточного ресурса диагностируемого объекта.

Оптимизация касается применения эффективных расчетных моделей теплопередачи, технологии проведения контроля, включающей выбор аппаратуры и способов анализа измерительных данных с заданной точностью, режимов контроля и обработки результатов, оценки квалификации и эффективности специалистов по НК и в конечном итоге прогнозирования эксплуатационных характеристик контролируемого объекта.

Библиографический список

1. Будадин О.Н., Потапов А.И., Колганов В.И. и др. Тепловой неразрушающий контроль изделий. М.: Наука, 2002. 476 с., ил.

2. РД-13-04-2006. Методические рекомендации о порядке проведения теплового контроля технических устройств и сооружений, применяемых и эксплуатируемых на опасных производственных объектах. Сер. 28. Вып. 11 / под общ. ред. К.Б. Пуликовского. М.: Научно-технический центр по безопасности в промышленности, 2007. 32 с.

3. Салихов З.Г., Будадин О.Н., Ишметьев Е.Н. и др. Инженерные основы теплового контроля. Опыт промышленного применения. М.: ИД МИСиС, 2008. 476 с., ил.