СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
METHOD FOR NONDESTRUCTIVE INSPECTION OF TECHNICAL STATE OF CHEMICAL CURRENT SOURCES

Изобретение относится к области оценивания технического состояния (ТС) вторичных химических источников тока (ХИТ) и может быть использовано при проведении мониторинга ТС ХИТ на различных этапах жизненного цикла, в том числе на этапе завершения гарантийных сроков эксплуатации.
Известен способ оценки ТС кислотных ХИТ (РД 34.45-51.300-97. «Объем и нормы испытаний электрооборудования»), также известен способ оценки ТС щелочных ХИТ (ГОСТ Р МЭК 60622-2002. «Аккумуляторы и батареи щелочные. Аккумуляторы никель-кадмиевые герметичные призматические»). Порядок проверки ТС изделий заключается в проведении определенной последовательности механических испытаний и электрических проверок, основанных на методах измерения электрических параметров. Общие требования по порядку проведения испытаний ХИТ реализуются в виде программно-методической документации для изделий конкретного типа, при этом принимаются во внимание специфика их конструкции, условия эксплуатации, особенности монтажа на объекте и т.д.
Недостатками существующих способов оценивания ТС ХИТ являются значительные временные затраты на проведение испытаний, а также разрушающий характер некоторых проверок, результатом которых может явиться нарушение физической структуры изделий и ухудшение их эксплуатационных характеристик.
Известен также способ оценивания ТС ХИТ на этапе завершения гарантийных сроков, в частности, в разработанной ЗАО «НИИХИТ-2» «Методике освидетельствования аккумуляторных батарей 28НКП-90А с целью продления срока эксплуатации до 21,5 года» ЖФИР.560103.007ПМ определяется порядок проведения испытаний ХИТ 28НКП-90А с целью продления сроков их эксплуатации. В методике определен следующий пошаговый порядок проведения работ: по данным формуляров определяется срок эксплуатации изделий, производится визуальный осмотр изделий на предмет отсутствия дефектов в виде вмятин, трещин, повреждений разъемов (повреждения резьбовой части, сколов на изоляторе), выявления мест протекания электролита. Проверяется наличие пломб предприятий-изготовителей и предприятий, проводивших доработки батарей в процессе их эксплуатации. Затем, согласно технологической карте, указанной в эксплуатационной документации на данный вид изделия, производится измерение сопротивления изоляции. Батарея со снятой крышкой осматривается для оценивания состояния электросхемы и прокладок, далее измеряется величина напряжения разомкнутой цепи (НРЦ) всех аккумуляторов в батарее, аккумуляторы со значением НРЦ менее 1.25 В подлежат замене.
Из испытуемой батареи дополнительно извлекаются два аккумулятора с наименьшим, но не ниже 1.25 В, значением НРЦ. Собирается схема последовательного соединения извлеченных аккумуляторов, и они подвергаются разряду током величиной (100±5)А до напряжения 1.05 В. Продолжительность разряда должна составлять не менее 15 минут. Если один из аккумуляторов при достижении контрольного времени имеет напряжение менее 1.05 В, тогда из освидетельствуемой батареи извлекаются дополнительно еще два аккумулятора и повторяется разряд.
Батареям, у которых выбранные и извлеченные аккумуляторы разряжались до контрольного напряжения 1,05 В в течение 15 минут и более, срок эксплуатации продлевают на 5 лет (в пределах срока эксплуатации, не превышающего 21,5 лет), батареям, у которых и после повторного разряда до контрольного напряжения продолжительность разряда составила менее 15 минут, срок эксплуатации не продлевают, и они подлежат замене.
Недостатками данного способа являются значительные временные затраты, которые составляют 2,6 человеко/дня на освидетельствование, доработку и оформление результатов испытаний одной батареи, а также разрушающий характер проводимых работ в ходе оценки емкостных показателей, результатом которых может явиться увеличение разбаланса энергетических характеристик между аккумуляторами в батарее, а также нарушение заводской сборки комплектующих элементов батареи.
Задачей изобретения является снижение временных затрат на проведение обследования ХИТ, а также исключение разрушающего фактора.
Технический результат от использования изобретения заключается в повышении достоверности и надежности принимаемых решений о техническом состоянии ХИТ в режиме проведения неразрушающего контроля.
Сокращение временных затрат, а также исключение разрушающего фактора при оценке ТС ХИТ достигается введением тепловизионных показателей в факторное пространство при формализации исходной диагностической информации. При этом принимается во внимание зависимость тепловыделений при функционировании ХИТ от величины внутреннего сопротивления, т.е. величина внутреннего сопротивления R пропорциональна производной от тепловыделения W по току заряда (разряда) I, R=dW/dI. Также известно, что при недостаточном количестве электролита, особенно при малых токах заряда и повышенной температуре окружающей среды, никель-кадмиевые аккумуляторы могут попасть в «тепловой разгон», когда из-за повышенной скорости ионизации кислорода аккумулятор начинает разогреваться.
Сущность изобретения заключается в том, что определяют факторное пространство, характеризующее техническое состояние ХИТ, осуществляют выбор основного параметра и в соответствии с его формализованным описанием производят разбивку области его значений на отрезке от 0 до 1 на ряд интервалов, и устанавливают порядок определения принадлежности основного параметра к каждому из них. В зависимости от того, к какому интервалу принадлежит значение оцениваемого параметра, принимают решение о техническом состоянии изделия, согласно изобретению, в качестве основного параметра выбирают обобщенный показатель технического состояния ХИТ, количественно определяемый по полиному
1
2
4
6
7
1
4
1
5
1
6
1
7
2
5
2
7
3
5
4
6
4
7
1
2
4
1
2
6
1
2
7
1
3
4
1
6
7
2
3
4
2
4
7
3
4
5
3
5
7
4
6
7
Y=0,4171+0,0774x+0,1293x+0,0308x+0,1x+0,0933x+0,0151xx-0,0103xx-0,0154xx+0,0154xx+0,0103xx+0,0263xx-0,0103xx+0,0105xx+0,0103xx-0,0105xxx+0,0102xxx-0,0108xxx-0,0108xxx-0,0153xxx+0,0103xxx+0,0151xxx+0,0205xxx-0,0105xxx+0,0103xxx
где в кодированном виде представлены следующие компоненты факторного пространства:
1
x - продолжительность эксплуатации;
2
x - значение средней температуры характерного участка поверхности ХИТ;
3
x - величина сопротивления изоляции электрических цепей;
4
x - величина разбаланса энергетических характеристик аккумуляторов в батарее (по значению напряжения разомкнутой цепи);
5
x - состояние контактных соединений;
6
x - режим эксплуатации;
7
x - признаки разгерметизации (вздутие аккумуляторов, подтеки электролита).
Для представления переменных полинома в рамках единой измерительной шкалы осуществляется их кодирование в соответствии с выражениями
1
гар
факт
гар
гар
факт
x=(t-t)/t, где t и t - гарантийный и фактический сроки эксплуатации изделия (лет);
2
доп
факт
доп
доп
факт
x=5(T-T)/T, где T и T - допустимое и фактическое значение средней температуры характерного участка поверхности ХИТ при заданных условиях функционирования (C°);
3
факт
ном
ном
факт
ном
x=2(R-R)/R, где R и R - фактическое и номинальное значения сопротивления изоляции электрических цепей изделия (мОм);
4
доп
факт
доп
доп
факт
x=2(ΔU-ΔU)/ΔU, где ΔU и ΔU - допустимая и фактическая величина разбаланса аккумуляторов в батарее по НРЦ (В);
;
d
где K - коэффициент дефектности - отношение измеренного превышения температуры контактного соединения  к превышению температуры аналогичного КС, имеющего минимальную температуру из всех КС аналогичных элементов , .
6
Кодирование переменной x осуществляется с учетом результатов анализа специфики режимов функционирования аппаратуры, в составе которой используются ХИТ, при этом выделяют следующие режимы эксплуатации ХИТ:
- циклирование, т.е. переключение с заряда на разряд при различной глубине разряда;
- буферные, когда ХИТ работает параллельно с другим источником энергии и обеспечивает стабильность подачи энергии при переменном графике нагрузки;
- резервный, когда ХИТ постоянно находится в состоянии полной заряженности и обеспечивать питание потребителей при отключении основного источника.
Исходя из этого
7
доп
пр
доп
пр
доп
x=(N-N)/N, где N - количество аккумуляторов с видимыми признаками механических повреждений и разгерметизации, выявленное в процессе проверки, N - допустимое количество аккумуляторов с признаками механических повреждений и разгерметизации.
Разбивку диапазона Y в интервале [0, 1] производят на 5 интервалов в соответствии с формализованным описанием обобщенного параметра технического состояния ХИТ
Интервал
Границы интервала
Мода интервала
Наименование терм-множества
Характеристика состояния
I
1,0÷0,67
0,835
Выше нормы
Фактические значения всех параметров, характеризующих ТС ХИТ, несколько превышают значения, установленные в ЭД на изделие.
II
0,835÷0,5
0,67
Норма
Фактические значения основных параметров, характеризующих ТС ХИТ, в основном соответствуют значениям, установленным в ЭД на изделие. Незначительные замечания по результатам обследования устраняются на месте в незначительном объеме восстановительных работ.
III
0,67÷0,33
0,5
Ниже нормы, в пределах допуска
Фактические значения основных параметров, характеризующих ТС ХИТ, незначительно ниже значений, установленных в ЭД на изделие, но позволяют дальнейшую эксплуатацию в составе специальной аппаратуры при условии проведения восстановительных мероприятий на месте, отправка на предприятие-изготовитель для проведения РВР (ремонтно-восстановительных работ) не требуется.
IV
0,5÷0,165
0,33
Предельное состояние
Фактические значения основных параметров, характеризующих ТС ХИТ, не соответствуют установленным в ЭД на изделие, проведение восстановительных работ на месте не позволит восстановить работоспособность изделия в полном объеме, но существует возможность ее восстановления при условии проведения РВР на предприятии-изготовителе.
V
0,33÷0
0,165
Дальнейшая эксплуатация недопустима
Фактические значения основных параметров, характеризующих ТС ХИТ, не соответствуют установленным в ЭД на изделие, проведение РВР нецелесообразно по причине невозможности восстановления работоспособного состояния изделия.
По принадлежности вычисленного значения Y к определенному терм-множеству принимают решение о техническом состоянии ХИТ по всему комплексу переменных.
Реализация предлагаемого в изобретении способа оценивания ТС ХИТ предполагает проведение следующего комплекса работ:
- по данным формуляров определяется срок эксплуатации изделий;
- анализируются условия эксплуатации изделия;
- в соответствии с технологическими картами, указанными в эксплуатационной документации на изделия, производятся измерения величин НРЦ аккумуляторов и сопротивления изоляции электрических цепей;
- производится визуальный осмотр конструктивных элементов батареи;
- производится термографическая съемка аккумуляторной батареи при заданных условиях функционирования. На рисунках 1, 2 представлены термограммы аккумуляторных батарей.
Пример 1. Фактический срок эксплуатации аккумуляторной батареи составляет 7 лет, гарантийный срок эксплуатации 10 лет. Средняя температура характерного участка поверхности аккумулятора составила 30 C° при допустимом ее значении 35 C°. Величина сопротивления изоляции силовых цепей составила 30 мОм при допустимом ее значении 20 мОм. Величина разбаланса аккумуляторов в батарее составила 5 мВ при допустимом значении 10 мВ. Значение коэффициента дефектности контактных соединений не превышает 1.2. Изделие эксплуатируется в буферном режиме, признаки разгерметизации и механических повреждений отсутствуют.
1
2
3
4
5
6
7
Произведя кодирование переменных, входящих в факторное пространство, получим: x=0.3, x=0.71, x=1, x=0.5, x=1, x=0, x=1. При этом рассчитанное значение показателя ОПТС Y=0.6435229, что соответствует интервалу терм-множества «Норма».
d
Пример 2. Фактический срок эксплуатации аккумуляторной батареи составляет 13 лет, гарантийный срок эксплуатации 10 лет. Средняя температура характерного участка поверхности аккумулятора составила 38 C° при допустимом ее значении 35 C°. Величина сопротивления изоляции силовых цепей составила 20 мОм при допустимом ее значении 20 мОм. Величина разбаланса аккумуляторов в батарее составила 15 мВ, при допустимом ее значении 10 мВ. Значение коэффициента дефектности контактных соединений (1.2≤K≤1.5). Изделие эксплуатируется в режиме циклирование, имеются признаки разгерметизации и механических повреждений у 3 аккумуляторов в батарее, при допустимом количестве 2.
1
2
3
4
5
6
7
Произведя кодирование переменных, входящих в факторное пространство, получим: x=-0.3, x=-0.43, x=0, x=-0.5, x=0, x=-1, x=-0.5. При этом рассчитанное значение показателя ОПТС Y=0.263658, что соответствует интервалу терм-множества «Предельное состояние».
ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ МОДЕЛИ ОБОБЩЕННОГО ПАРАМЕТРА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Проверка адекватности модели обобщенного параметра технического состояния (ОПТС) химических источников тока (ХИТ) проведена прямым сравнением рассчитанных по полученному выражению значений ОПТС с практическими результатами технического освидетельствования ХИТ 27НКМ-100, проводимого с целью продления сроков их эксплуатации. При проведении апробации принимались следующие допущения:
2
- поскольку при проведении обследования изделий комиссия оценивала емкостные показатели, в ходе апробации при оценивании параметра x использовались численные данные по емкостным показателям;
5
- принимая во внимание отсутствие в результатах работы комиссии данных о состоянии контактных соединений, в ходе апробации значение параметра x принималось равным «0», т.е. «норме».
В таблице 1 представлены результаты обследования выборки ХИТ 27НКМ-100 в количестве 30 изделий. Из сравнения данных таблицы видно, что расчетные значения ОПТС практически полностью совпадают с мнением компетентной комиссии. Из этого следует, что полученное выражение можно считать моделью изучаемого явления.
Таблица 1
№ п/п
Год выпуска (x<sub>1</sub>)
Сопротивление изоляции, мОм (x<sub>3</sub>)
Величина ΔU<sub>НРЦ</sub>, В (x<sub>4</sub>)
Кол-во дефектных аккум. (x<sub>7</sub>)
Емкость изделия А/ч (x<sub>2</sub>)
Режим эксплуатац. (x<sub>6</sub>)
ОПТС Y
Принадлежи к терму по ОПТС
Решение комиссии
по НРЦ
по течи
1
1988
0
1,250÷1,265
3
4
10
Буферный
0,039
Дальнейшая эксплуат. недоп.
Не допуск
2
1988
10
1,250÷1,261
8
2
15
Буферный
0,093
Дальнейшая зксплуат. недоп
Не допуск
3
1988
500
1,265÷1,269
-
1
35
Буферный
0,182
Дальнейшая эксплуат. недоп
Не допуск
4
1988
500
1,258÷1,269
1
3
30
Буферный
0,120
Дальнейшая эксплуат. недоп
Не допуск
5
2002
500
1,264÷1,272
-
-
82
Буферный
0,58
Ниже нормы в пределах допуска
6
1995
500
1,265÷1,267
-
-
110
Буферный
0,629
Норма
7
1997
100
1,267÷1,269
-
-
90
Буферный
0,570
Ниже нормы в пределах допуска
8
1997
500
1,266÷1,269
-
-
108
Буферный
0,632
Норма
9
1995
500
1,262÷1,267
-
-
110
Буферный
0,614
Норма
10
1995
500
1,263÷1,268
-
-
102
Хранение
0,607
Норма
11
1979
500
1,237÷1,263
23
-
8
Буферный
0,075
Дальнейшая эксплуат. недоп
Не допуск
12
2002
500
1,262÷1,268
-
-
80
Буферный
0,562
Ниже нормы в пределах допуска
13
2002
500
1,262÷1,270
-
-
82
Буферный
0,558
Ниже нормы в пределах допуска
14
2002
500
1,264÷1,272
-
-
82
Буферный
0,558
Ниже нормы в пределах допуска
15
2002
500
1,261÷1,267
-
-
75
Буферный
0,545
Ниже нормы в пределах допуска
16
1997
500
1,262÷1,275
-
-
105
Буферный
0,571
Ниже нормы в пределах допуска
17
1987
0
1,263÷1,273
-
2
87
Буферный
0,302
Предельное состояние
Не допуск
18
1987
0
1,254÷1,268
2
1
90
Буферный
0,337
Предельное состояние
Не допуск
19
1987
500
1,238÷1,255
27
-
8
Буферный
0,146
Дальнейшая эксплуат. недоп.
Не допуск
20
1987
500
1,235÷1,262
9
-
25
Буферный
0,204
Дальнейшая эксплуат. недоп.
Не допуск
21
1997
500
1,264÷1,270
-
-
110
Хранение
0,640
Норма
22
1987
18
1,262÷1,266
-
1
95
Буферный
0,352
Дальнейшая эксплуат. недоп.
Не допуск
23
1987
500
1,262÷1,268
-
-
90
Буферный
0,474
Предельное состояние
24
1987
500
1,259÷1,270
92
Буферный
0,467
Предельное состояние
25
1987
50
1,265÷1,268
-
-
82
Буферный
0,442
Предельное состояние
26
1987
100
1,266÷1,271
-
-
80
Буферный
0,431
Предельное состояние
27
1987
100
1,261÷1,266
-
-
50
Буферный
0,309
Дальнейшая эксплуат. недоп.
Не допуск
28
1987
50
1,264÷1,271
-
-
85
Буферный
0,448
Предельное состояние
29
2002
500
1,262÷1,268
-
-
80
Хранение
0,565
Предельное состояние
30
2002
500
1,261÷1,267
-
-
78
Буферный
0,555
Предельное состояние
Сравнительный анализ данных таблицы показывает, что вычисленные значения обобщенного параметра технического состояния (ОПТС) соответствуют текущему уровню технического состояния (ТС) изделий. Это дает возможность более обоснованно принимать решение о продлении сроков их эксплуатации. Ведение мониторинга текущего уровня ТС изделий позволит делать адекватный прогноз и заблаговременно наметить порядок замены изделий, состояние которых оценивается между терм-множествами «Предельное состояние» и «Дальнейшая эксплуатация недопустима».
Очевидное преимущество комплексного показателя, позволяющего производить оценку ТС изделий в целом, как раз и состоит в вооружении членов комиссии новым инструментом для принятия более обоснованных решений.