A PATRA CONFERINŢĂ A HIDROENERGETICIENILOR DIN ROMÂNIA,

Dorin Pavel

CERCETĂRI TERMOGRAFICE ASUPRA HIDROAGREGATELOR

Constantin CĂLINOIU1, Constantin DUMITRAŞCU2, Alexandrina MIHAI3,

Nicolae VASILIU4

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

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.

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.

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.

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.

3.1. 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 într-

o 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.

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.

3.2. 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 200C mai mare decât în zona similară a celeilalte perii. În figura 6 este

prezentată o termogramă din zona conexiunilor bobinelor excitatricei. Un contact este

imperfect, iar diferenţa de temperatură este de circa 300C. 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.

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)

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

- 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. 1989 [2] Maldaque, X. - Nondestructive Evaluation of Materials by Infrared Thermography, Springer - Verlag London Limited, 300 pag. 1993. [3] Maldaque, X., V., - Infrared Methodology, Nondistructive Testing Monographs and Tracts, Vol. 7, Gordon and Breach Science Publishers, USA, ISBN~288124-590-0, 530 p., 1992 [4] Schlessinger, M. - Infrared Technology Fundamentals, Second Edition, Revised and Expanded, Marcel Dekker, Inc. Usa, ISBN 08247-9259-9, 422 p., 1995. [5] Gaussorgues, G., - Infrared Termography, Chapman Le Hall, Anglia ISBN 041247900-1, 520 p, 1994. [6] Siegel, R., Howell J.R., - Thermal Radiation Heat transfer, Third Edition, Taylor & Francis, ISBN 0-89116-271-2, Londra-Anglia, 1072 p., 1992. [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 213-219, No. 3 - 1980. [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, 1988. [9] Mihai Alexandrina – Termografia în infraroşu. Editura Tehnică, Bucureşti, 2005. [10] Vasiliu, N., Călinoiu, C., Mihai, Al., Dumitraşcu C. – Investigaţii termografice ale hidroagregatelor. Rapoarte de cercetare, Bucureşti, 2004-2006.