Контроль отложений на поверхностях теплообменного оборудования методом свободных колебаний

АКТУАЛЬНОСТЬ. На предприятиях в эксплуатации находится большое количество теплообменников, которые работают в различных температурных условиях. В качестве греющего агента применяется пар, горячая вода, нагретые продукты нефтепереработки и других производств, в которых могут присутствовать окислы железа, алюминия, сульфат кальция, силикаты и др. От состояния поверхностей нагрева теплообменного оборудования зависит эффективность его работы. Загрязнения этих поверхностей различными отложениями резко снижают коэффициент теплопередачи, что приводит к значительному увеличению расхода тепла. Характер отложений зависит от свойств греющего агента и нагреваемой среды.

ЦЕЛЬ. Цель заключается в оценке возможности контроля отложений на поверхностях теплообменного оборудования методом свободных колебаний. Наличие отложений изменяет массу конструкций и, следовательно, собственные частоты колебаний, по анализу которых можно определить не только наличие и толщину отложений, а также их вид.

МЕТОДЫ. В работе показаны результаты экспериментальных исследований, проведенных с помощью аппаратно-программного комплекса, и расчетов собственных колебаний поверхностей теплообменного оборудования в программном комплексе ANSYS для выявления зависимости их от толщины и плотности отложений. В качестве поверхностей теплообмена были смоделированы пластина, труба, также труба под давлением.

РЕЗУЛЬТАТЫ. Результаты, полученные экспериментальным и расчетным путем, совпали, и был сделан вывод, что метод свободных колебаний позволяет определять не только наличие отложений на теплообменных поверхностях, но их толщину и вид.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Методом свободных колебаний можно своевременно обнаруживать отложения и контролировать их состояние, что в свою очередь позволит сократить общие эксплуатационные затраты, повысить энергоэффективность и продлить срок службы.

1. Wisner B.; Mazur K., Perumal V., et al. Acoustic emission signal processing framework to identify fracture in aluminum alloys. Eng. Fract. Mech. 2019. Pp. 367–380.

2. Kong I.Y., Bennett C.J., Hyde C.J. A review of non-destructive testing techniques for the in-situ investigation of fretting fatigue cracks. Materials & Design. 2020. vol. 196. pp.109093. doi: 10.1016 j.matdes.2020.109093.

3. Bonab M.M. Effects of different parameters on initiation and propagation of stress corrosion cracks in pipeline steels: A review. Metals 2019, 9, P. 590.

4. Mambetov R.F., Kushnarenko V.M., Hafizov, F.S. Causes of the field flowline weld joint rustthrough damage. Pipeline Sci. Technol. 2020, 4. Pp. 98–107.

5. Ваньков Ю.В. Низкочастотные методы контроля. Метод свободных колебаний. Казань. Издательство КГЭУ, 2003. – 140 с.

6. Хатьков Д.Н. Применение информационного подхода к решению задачи дефектоскопии методом свободных колебаний. Журнал Труды МАИ. 2016. № 88.

7. Козар, Н.К., Козар А.Н. Метод свободных колебаний для обнаружения межкристаллитной коррозии металлов: Монография. - Москва: Русайнс, 2016. - 205 с.

8. Ваньков Ю.В., Яковлева Э.Р. Об одном подходе к оценке затухания колебаний. Техническая акустика. 2005. Т.5. С. 251–265.

9. Коварская Е.З., Московенко И.Б. Использование частот собственных колебаний при неразрушающем контроле физико-механических свойств материалов и изделий. Журнал «В мире НК». 2012. № 4 (58). С. 5–8.

10. Деловой журнал Точка опоры. №223 Февраль 2017 тема: Неразрушающий контроль https://www.to-inform.ru/index.php/arkhiv/item/vehi-istorii-nerazrushaushego-kontrolya-v-rossii.

11. Интернет ресурс: https://armada-ndt.ru/articles/8341/?ysclid=lpcic4e0mv20670480.

12. Gelman Leonid M., Gorpinich Sergey V. Nonlinear vibroacoustical free oscillation method for crack detection and evaluation. Mechanical System and Signal Processing. Vol. 14. Iss. 3. May 2000. P. 343–351.

13. Матвеев В.В., Богинич О.Е. Приближенное аналитическое определение вибродиагностических параметров наличия трещины в упругом теле при супергармоническом резонансе. Проблемы прочности. 2010. № 4. С. 5–19.

14. Ройтман А.Б. Вибрационная диагностика «дышащих» трещин в изделиях. Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 2000. № 1. С. 58–66.

15. Ваньков Ю.В., Бусаров А.В., Александрович Ю.П. Контроль клепаного соединения лопаток ГТУ методом свободных колебаний. Журнал «В мире НК». 2012. № 4 (58). С. 10–12.

16. Гарнышова Е.В., Измайлова Е.В., Ваньков Ю.В. Оценка толщины отложений на внутренней поверхности теплообмена по затуханию собственных колебаний. ИВУЗ. Проблемы энергетики. 2020. Т. 22. № 4. С. 106-114.

17. Измайлова Е.В., Ваньков Ю.В., Гарнышова Е.В., и др. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019615470 «2RSoundSA». Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 26 апреля 2019.

18. Shvetsov I.V., Garnyshova E.V., Izmaylova E.V., et al. Reducing labor input of monitoring condition of heat exchange equipment surfaces. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 939 (2020) 012072.

19. Гапоненко С.О., Кондратьев А.Е., Ульябаева Ш.У. Анализ результатов численного моделирования колебательных процессов в бездефектных и дефектных трубопроводах. Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14 № 3 (55). С. 38–47.

20. Измайлова Е.В., Гарнышова Е.В., Ваньков Ю.В. Определение информативных критериев для контроля трубопровода с применением ANSYS. Сборник нац. науч.-практ. конф. «Приборостроение и автоматизированный электропривод в топливно-энергетическом комплексе и жилищно-коммунальном хозяйстве». – Казань: КГЭУ, 2020. Т. 1, С. 413–416.

21. Гарнышова Е.В., Измайлова Е.В., Ваньков Ю.В., и др. Контроль отложений поверхностей теплообмена по анализу их частот колебаний. Сборник материалов 78-й Науч.-техн. конф. Санкт-Петербургского НТО РЭС им. А.С. Попова, посвященная Дню радио. 2023 СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 493 с.

22. Ваньков Ю.В., Измайлова Е.В., Гарнышова Е.В., и др. Повышение энергоэффективности контролем трубопроводных систем: Монография – Казань: Издательство Казанского университета, 2022. – 142 с.