автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Повышение чувствительности контроля внутритрубными магнитными дефектоскопами

Мякушев Константин Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ КОНТРОЛЯ ВНУТРИТРУБНЫМИ МАГНИТНЫМИ ДЕФЕКТОСКОПАМИ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной

среды, веществ, материалов и изделий.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена в Московском Энергетическом Институте (Техническом Университете)

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Лунин В.П.

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Шатерников В.Е. кандидат технических наук, доцент Бородкин Е.А.

Ведущая организация: ЗАО МНПО "Спектр" (г. Москва)

Зашита диссертации состоится:

27 апреля 2004 года в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.119.01 в Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики по адресу 107846 Москва, ул. Стромынка д.20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики

Автореферат разослан 26 марта 2004 года.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

В.В. Филинов

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Трубопроводный транспорт является самым распространенным средством транспортировки газо- и нефтепродуктов. Это обязывает уделять повышенное внимание состоянию элементов систем транспортировки, в частности трубам, так как аварии, связанные с утечкой нефти или газа, приносят не только колоссальные убытки, но и огромный вред окружающей среде. Десятки лет для контроля состояния трубопроводов среди прочих применяют внутритрубные магнитные дефектоскопы. Среди них есть как системы, передвигающиеся внутри трубы на расстояния до нескольких сотен километров и работающие в автономных режимах, так и небольшие управляемые системы для контроля участков труб малой протяженности. Разработчиками магнитных дефектоскопов в России являются такие организации как ОАО ЦТД «Диаскан», ООО ЦТД «Интроско», ЗАО МНПО «Спектр» и др. За рубежом это Apache Pipeline Products, PJf Limited, Rosen Swiss AG и др. Разработанные этими компаниями дефектоскопы успешно эксплуатируются на территории России и за ее пределами, однако в настоящее время к подобным устройствам выдвигаются новые требования. В частности, с помощью дефектоскопов необходимо не только определять наличие дефекта, но и классифицировать его по типу, а также оценивать его размеры. При этом требования к информативности контроля постоянно растут. Это обстоятельство послужило поводом для проведения комплекса научно-исследовательских работ, направленных на повышение чувствительности дефектоскопов к основным параметрам дефектов на этапе разработки магнитной системы.

Проблемами разработки магнитных систем дефектоскопов в разное время занимались D L. Atherton, J.B. Nestleroth, A.A. Абакумов, П.А. Курбатов, А.В. Павленко и другие. Анализ опубликованных работ показал, что наиболее эффективная методика проектирования предполагает проведение оптимизации магнитной системы дефектоскопа по ряду параметров в соответствии с некоторой целевой функцией. Целевой функцией, как правило, является масса магнитном системы, потребляемая энергия или какие-либо отдельные геометрические параметры и/или их соотношения. В качестве критериев оптимизации используется обеспечение однородности магнитною поля и заданного уровня намагничивания объекта контроля в области расположения датчиков. В некоторых работах проводится анализ сигналов от дефектов, а уровень намагниченности выбирается исходя из условия обеспечения максимальной амплитуды сигнала от типовых дефектов. Проведенные предварительные исследования показали, что такой подход в общем случае не гарантирует оптимальной чувствительности сигнала к параметрам дефекта. А надеяться на успешное решение задачи надежного определения типа и оценки размеров дефекта по измеренным сигналам можно только решив комплексную задачу, направленную на обеспечение максимальной чувствительности сигнала к параметрам дефекта при удовлетворительном значении отношения «сигнал/шум».

Возможным вариантом реализации такой схемы поиска оптимальной конструкции является расчет сигналов от дефектов непосредственно в процессе оптимизации на каждом шаге итерационною процесса. Однако это приводит к значительному усложнению численной модели и к увеличению времени счета.

Другим вариантом является предварительный расчет сигналов от дефектов и формирование соответствующей базы данных, позволяющей проводить подробные исследования сигналов. В большинстве случаев изменение топографии магнитного поля рассеяния в области дефекта является локальным и практически не влияет на распределение поля во всей магнитной системе. Таким образом, необходимо создать две численные модели - модель намагничивающей системы с бездефектным объектом контроля и модель фрагмента ферромагнитной трубы с типовыми дефектами варьируемых геометрических параметров, помещенного во внешнее поле. Наличие численных моделей сигналов от дефектов также будет полезно для разработки алгоритмов распознавания типа дефектов и оценки их геометрических размеров.

Цель н задачи исследования

Цель исследования заключается в повышении чувствительности контроля дефектов ферромагнитных трубопроводов с помощью внутритрубных малинных дефектоскопов.

Для достижения поставленной в работе цели сформулированы следующие задачи: разработка компьютерных моделей и создание программного модуля расчета сигналов от типовых дефектов, формирование соответствующей базы данных;

- исследование влияния режимов намагничивания на чувствительность сигналов к параметрам дефектов и выбор параметров намагничивающей системы внутритрубного дефектоскопа, обеспечивающей максимальную чувствительность сигнала к глубине дефекта;

разработка дополнительной магнитно-измерительной системы для дефектоскопа, предназначенной для определения положения дефекта на поверхности контролируемой трубы.

Методы исследования

Для расчета пространственного распределения магнитных нолей использован метод конечных элементов, реализованный в программном комплексе АЧ8У8. Осесимметричные модели рассчитывались относительно векторного магнитного потенциала с использованием восьмиузловых элементов второго порядка. Трехмерные модели рассчитывались относительно скалярного магнитного потенциала с использованием восьмиузловых элементов первого порядка. Для проведения оптимизационных расчетов применялся алгоритм первого порядка с расчетом 1раднентов целевой функции по параметрам на каждом шаге оптимизации и метод Парето.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- сформулированы требования к разработке намагничивающих систем внутритрубных дефектоскопов, обеспечивающие максимальную чувствительность к параметрам дефекта;

получены новые более информативные зависимости чувствительности сигнала дефектоскопа к изменению глубины дефектов от величины поля намагничивания;

- расширены функциональные возможности и достигнута оптимальная чувствительность основной магнитной системы внутритрубного дефектоскопа к глубине дефекта;

- обеспечена максимальная эффективность разделения дефектов на внешние и внутренние с помощью дополнительной магнитной системы.

Практическая ценность

Предложенный в работе подход может быть использован при разработке магнитных систем внутритрубных дефектоскопов для обеспечения максимальной чувствительности к различным параметрам дефектов, облегчения последующей классификации дефектов и, в конечном итоге, повышения информативности контроля. Разработанный программный модуль расчега сигналов позволяет проводить детальные исследования сигналов от дефектов, изучать влияние различных параметров дефекта на сигнал, разрабатывать алгоритмы распознавания.

Реализация результатов работы спроектированная на максимальную чувствительность к глубине дефекта магнитная система внутритрубного дефсктоскона (магнитною интроскона) МИ-31 изготовлена и испытана в ООО "Центр технической диагностики "Интроско" (г. Обнинск), о чем имеется акт о внедрении;

- сформированная с помощью разработанного интерактивного программного модуля база сигналов от типовых дефектов использована для отработки алгоритмов анализа данных дефектоскопов с целью обнаружения, классификации и параметризации дефектов;

- спроектированная для разделения дефектов на внешние и внутренние дополнительная магнитно-измерительная система в составе внутритрубного дефектоскопа изготовлена и продемонстрировала удовлетворительные результаты на испытаниях. Систему предполагается использовать совместно с разрабатываемым дефектоскопом;

- на кафедре Электротехники и Интроскопии МЭИ (ТУ) разработана и внедрена в учебный процесс лабораторная работа «Моделирование намагничивания ферромагнитной трубы с помощью метода конечных элементов», о чем имеется акт о внедрении.

Апробация работы

Основные результаты рабогы докладывались и обсуждались на IV Международной конференции «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» (Клязьма, 2000г.), девятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, 2002г.). третьей конференции пользователей программного обеспечения CAD-FFM GmbH (Москва 2003 г.), па Международной конференции «Информационные средства и технологии» (Москва 2003 г.).

Публикации

Основные положения диссертации опубликованы в семи печатных работах.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений к главам. Объем основной части работы составляет 150 страниц машинописного текста, 78 рисунков и 14 таблиц. Библиографический список содержит 101 наименование.

Положения, выносимые на защиту

На защиту выносится:

- требования к разработке намагничивающих систем внутритрубных дефектоскопов, обеспечивающие максимальную чувствительность к параметрам дефекта;

- зависимости чувствительности сигналов магнитного дефектоскопа к изменению параметров дефектов от значения поля, создаваемого намагничивающей системой; результаты разработки магнитных систем ряда внутритрубных дефектоскопов, обеспечивающих максимальную чувствительность к параметрам дефектов.

Содержаниедиссертации

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и основные направления исследований, указаны наиболее важные результаты и приведены основные положения, представляемые к защите.

В первой главе проведен анализ существующих средств внутритрубной магнитной диагностики, изложены теоретические обоснования используемых методов численного моделирования и оптимизации, необходимых при разработке магнитных систем.

Анализ опубликованных источников показал, что в литературе описаны различные методы расчета магнитных систем (численные и аналитические), есть работы, в которых решение задачи оптимизации магнитных систем проводилось по тем или иным параметрам (в основном, по массогабаритным характеристикам). I? ряде работ описаны методики расчега полей рассеяния дефектов в намагниченных объектах. Однако отсутствуют работы по проектированию магнитных систем внутритрубных дефектоскопов, в которых в процессе поиска оптимального решения учитывались бы как традиционные характеристики проектируемого устройства (массогабаритные данные, свойства источников магнитного поля, энергетические показатели), так и топография нолей рассеяния контролируемых дефектов и соответствующие характеристики получаемых сигналов. Это важно, так как в

ряде случаев только учет всего комплекса параметров позволит достичь наилучшего результата.

На предварительном этапе проектирования разработчик должен определить непараметризуемые свойства магнитной системы - такие, например, как общая конфигурация магнитной системы, включая характер источников поля (электромагнитная система или постоянные магниты), способ ввода потока в трубу (через воздушный зазор, подпружиненные башмаки, с помощью жестких щеток) и т.д. При этом выбирается базовая конфигурация, геометрические и некоторые другие параметры которой необходимо оптимизировать, следуя некоторой целевой функции. Число параметров в общем случае может быть произвольно для каждой системы. Для каждого параметра необходимо определить ограничения (диапазоны изменения) с учетом конструктивных особенностей, условий эксплуатации и т.д. Чем меньше выбран диапазон изменения каждого из параметров, тем, в общем случае, быстрее в процессе вычислений будет достигаться экстремум целевой функции.

Далее формируется многокритериальная обобщенная целевая функция, подлежащая минимизации в процессе расчета. Для аддитивного метода свертывания критериев функция примет вид:

F = ÍarW, (1)

где: W/ - критерий, отвечающий за массогабаритные характеристики магнитной системы, Ifj - критерий, отвечающий за энергопотребление намагничивающей системы,

- критерий, учитывающий характеристики сигналов от контролируемых дефектов, получение которых прогнозируется на проектируемой магнитной системе.

IIV.I - иные факторы, влияющие на конструкцию магнитной системы. сц, - весовые коэффициенты, определяющие степень влияния того или иного критерия на целевую функцию

Функция F, критерии и весовые коэффициенты безразмерные. Каждый из критериев может быть представлен в виде:

Здесь:

w,¡. -текущие числовые значения параметров, включенных в процесс оптимизации;

Wf¡ и^ „,„, — априорно задаваемые минимальные и максимальные значения диапазонов изменения параметров;

a,¡, • весовые коэффициенты параметров, определяющие степень влияния того или иного параметра на соответствующий критерий.

Значения весовых коэффициентов выбираются исходя из условий и приоритетов при проектировании. Если основное значение отдается снижению энергопотребления магнитной системы, то коэффициент аз должен иметь большее значение, чем СС) и a¡ и т.д.

После того, как целевая функция сформирована, формулируются условия работоспособности системы. Если в обобщенную целевую функцию не введен параметр (1), то в качестве такого условия может служить требование обеспечения максимального уровня сигналов от контролируемых дефектов, например, задается значение амплитуды сигнала от минимального дефекта, подлежащего обнаружению и последующей классификации.

Следует отметить, что в общем случае целевая функция в процессе оптимизации минимизируется по абсолютному значению. Очевидно, что функция F (I) минимальна при равенстве нулю всех четырех обобщенных критериев оптимизации, что соответствует «вырожденному» случаю (все критерии принимают минимальные значения). Учет дополнительных технических требований устраняет возможность получения этого «вырожденного» случая, т.е. в процессе проектирования ищется такой набор параметров,

при кагором функция минимальна, а мамин пая система соответствует некоторым заданным условиям.

Точность и скорость поиска минимума зависит от количества и вила выбранных параметров оптимизации, диапазонов их изменения, а также от выбранных алгоритмов оптимизации и методов расчета. В результате анализа для решения задач моделирования магнитных систем и расчета полей рассеяния дефектов был выбран один из дифференциальных методов - метод конечных "элементов. Осесимметричные модели рассчитывались относительно векторного магнитного потенциала с использованием восьмиузловых элементов второго порядка. Трехмерные модели рассчитывались относительно скалярного магнитного потенциала с использованием восьмиузловых элементов первого порядка. Для оптимизации магнитных систем (нахождения минимума целевой функции) был использован градиентный метод первого порядка как компромиссный по таким параметрам, как точность определения минимума целевой функции и временные затраты на реализацию метода.

Вторая глава посвящена разработке намагничивающей системы внутритрубного дефектоскопа для контроля ферромагнитных труб.

Рис. 1. Эскиз магнитной системы

Магнитная система дефектоскопа обеспечивает намагничивание постоянным магнитным полем стенок трубы в осевом направлении в межполюсном пространстве, где расположены измерительные датчики.

Для создания стационарного магнитного поля используется электромагнитная система, состоящая из стального сердечника с обмоткой из медного провода и двух полюсов большего диаметра, расположенных по торцам сердечника (рис 1.). Передача магнитного потока от электромагнитной системы к стенкам трубы осуществляется бесконтактно через рабочую среду. Рабочая среда дефектоскопа в процессе эксплуатации — вода, нефтепродукты, соляной раствор.

Описанная система была ранее рассчитана традиционным метолом магнитных цепей. Расчет сопровождались натурными экспериментами и в целом, магнитная система удовлетворяла требованиям заказчика для эксплуатации в трубах с толщиной стенки 8 мм. Позже возникла необходимость модернизировать существующую систему с целью повышения чувствительности к изменению параметров дефекта (в первую очередь, глубины). Л также, по возможности, снизить энергопотребление и минимизировать ее вес.

При разработке использовался численный метод расчетаа магнитных нолей. Для верификации сформированных конечно-элементных моделей были проведены экспериментальные измерения ноля, создаваемою существующей магнитной системой в тестовой трубе с искусственными дефектами, а затем получены сигналы датчиков на численной модели. Эксперимент проводился на трубе из стали45 с искусственными дефектами. Внешний диаметр трубы - 170 мм, толщина стенки трубы 8 мм. Внешний вид системы изображен на Рис.1. Насчет проводился в трехмерной постановке относительно скалярного магнитного потенциала. Полученные данные (Рис.2) свидетельствуют о высокой степени совпадения результатов расчета и эксперимента. Отклонение расчетного сигнала от экспериментального составляет не более 5-7%. Из дополнительных расчетов выяснилось, что система обеспечивает в трубе с толщиной стенки 8 мм уровень магии гной индукции порядка 1.1 Тл.

Для оценки влияния величины напряженности магнитного поля в трубе на чувствительность сигнала к изменению размеров дефекта были рассчитаны и построены указанные зависимости для некоторых видов дефектов. В качестве наиболее важного < показателя эффективности магнитной системы дефектоскопа была выбрана чувствительность сигнала к изменению глубины дефекта приведенная к напряженности поля в трубе. Полученные зависимости для внешней и внутренней поперечных трещин приведены на Рис.3. Также проводились расчеты для внешних и внутренних точечных и поверхностных дефектов типа коррозии. Изменение глубины для оценки чувствительности принималось равным 5% толщины стенки, т.е. 0.4 мм.

Анализ полученных данных показал, что для разных типов дефектов максимум (для трещин) или значительный перегиб (для коррозий) зависимости приведенной чувствительности находится в диапазоне от 6 до 8 кА/м в зависимости от глубины дефекта. Таким образом, оптимальной величиной напряженности поля в трубе при контроле можно считать напряженность порядка 7 кД/м, что соответствует 1.5 Тл. Увеличение напряженности

магнитного поля при контроле до этого значения позволит увеличить отношение чувствительности к напряженности на значения от 20 до 70% для разных типов дефектов. Для оценки зависимости «сигнал/шум» от уровня намагниченности были построены зависимости отношения амплитуды сигнала от разных дефектов к напряженности магнитного поля. Исходя из этих зависимостей, оптимальным является обеспечение магнитного поля напряженностью около 8 кА/м для большинства дефектов. Снижение напряженности поля до 7 кА/м ухудшает соотношение сигнал шум лишь на 5%.

Вторым по важности

Рис.2. Сопоставление ре1ультатоа эксперимента с расчетными манными для дефекта ш двух параллельных пропилов (нормированные данные).

требованием при разработке (было максимальное снижение энергопотребления мзгнитной системы, далее - снижение массогабаритных параметров.

Далее были выбраны, варьируемые параметры, зафиксированы диапазоны их изменения и определены дополнительные условия, при которых систему можно считать работоспособной. И качестве варьируемых параметров были выбраны следующие (Рис.1): ток в обмотке

длина провода обмотки = 0, ¡^„.„и = 1000м),

внешний диаметр магнитонровода />„«,,„ (0„„>т„и,, = 0, Дш}««» = 9бмм), длина полюса = 0, ¿рыиах = 100мм),

длина магнитопровода 350мм).

Дополнительные условия, при которых систему можно считать работоспособной: внешний диаметр обмотки не должен превышать 96 мм, внешний диаметр полюса фиксирован - 110 мм, минимальный уровень индукции в трубе не менее 15 Тл.

Учитывая (1) и (2) и проанализировав условия работы магнитной системы, были использованы следующие параметры и их весовые коэффициенты (Табл.1).

_Табл. I _

и"// = /.„„«„, »// = 1/3 ^12 = Вт,„п. а,2= 1/3 и</1 = 1^,1, а,,= 1/3 а, = 1/3

= /дат, Ри = *>п = !,&> = 2/3 а3 =2/3

а, =0

Такой выбор объясняется стремлением уменьшить:

- длину магнитопровода для увеличения индукции в объекте контроля,

- тепловыделение обмотки.

В результате целевая функция приняла вид:

где, У/, Ь^ы), а =Я11,„т I)

Результаты расчета и их сравнение с существующим вариантом приведено в Табл 2.

Табл. 2

Параметр оптимизации Существующая система Результат проектирования

Обеспечиваемая магнитная индукция. В, Тл 1.12 1.5

Днамеф магнигоиривода, 1 ),„,,, мм 70 84

Длина магнитопронода, Ц,щ(„, мм 228 300

Диаметр полюса, Пр,^, мм ПО 110

Длина полюса, мм 55 50

Длина провода обмоп ки, Ц.оу, м 660 486

Количество витков, W 2200 1718

Ток обмотки, 1, А 3 3.4

Мощность тепловых потерь, 1"- Ц^-р/Б Нт 133 125.5

Приведенное значение целевой функции*, Я 1 0.54

* - значения целевой функций для спроектированной системы приведено к значению целевой функции для существующей системы.

Из таблицы видно, что за счет изменения геометрии магнитной системы и параметров обмотки удалось не только добиться уровня поля в трубе 1.5 Тл, но и снизить тепловые потери, что имеет большое значение, так как отвод тепла от дефектоскопа в замкнутом пространстве трубы затруднен. Результаты проектирования системы были проверены по принципу Парето. На Рис.4 изображено множество точек Парето, удовлетворяющих условиям работоспособности системы.

Оптимальная точка

выбиралась, как ближайшая к точке начала координат. Параметры этой точки совпали с результатами оптимизации.

Далее но результатам предварительных и поверочных расчетов была разработана новая магнитная система дефектоскопа для работы в трубе диаметром 145 мм и толщиной стенки. 12 мм, также изготовленной из стали45. Расчеты ориентировались на обеспечение уровня магнитной индукции в трубе 1.5 Тл. Условия оптимизации (параметры и целевая функция)

аналогичны предыдущему случаю. Результаты расчеты также были проверены по Парето. Табл.3

Параметр оптимизации Результат проектирования

Обеспечиваемая магнитная индукция. В, Тл 1.5

Диаметр магнитопровода, мм 100

Длина магнитопровода, 1™,„, мм 300

Диаметр полюса, мм 125

Длина полюса, мм 45

Длина провода обмотки, Ц,™», м 725

Количество витков, 2147

Ток обмогкк, I, А 3.9

Мощность тепловых потерь, I2- Ь^-р /Э. Вт 233.7

Разработанная магнитная система внутритрубного дефектоскопа изготовлена и внедрена в ООО "Центр технической диагностики "Интроско" (г. Обниск), о чем имеется акт внедрения.

Третья глава посвящена разработке программного модуля для расчета сигналов от дефектов различной формы и размеров, который может быть использован для расчета сигналов от дефектов в плоских объектах контроля, а также в криволинейных, если радиус кривизны существенно превышает толщину объекта контроля. Разработанный модуль предназначен для использования с программным комплексом конечно-элементного моделирования ANSYS. Интерфейс пакета ANSYS был дополнен блоком меню, позволяющим выполнять необходимые расчеты без знания пакета и МКЭ. Список реализованных дефектов включает в себя:

- точечную (питтинговую) коррозию,

- потерю металла квадратом формы со скругленными краями,

- поверхностную сплошную коррозию круглой формы,

- сплошную коррозию квадратной формы со скругленными краями,

плоскодонное отверстие,

- сквозное отверстие,

- поперечную трещину (прямую и наклонную).

В качестве объекта контроля выбрана ферромагнитная

W,Bl -- опта п ч мум —I f «• --

у/ н'

V1,M3

О 0 0005 0 001 0 0015 0 002 0 0025 0 003 О 003S

Рис.4 Множество точек Папето.

IUbo< «atarial^TTTJ СоггожЧол«- (>1

Crock* < " - Я Held*- »L' ' *>} otw*., . 7 •'-!>}

öfttTreeult- däia*.7j

СуЫй»Г "T Г^7Т>?

Рис. 5 Главное меню приложения.

пластина длиной 200 мм и шириной 200 мм. Толщина пластины можег варьироваться в пределах от 8 до 16 мм с шагом 0 8 мм. Материал пластины может выбираться из заданного списка материалов, представленных кривыми намагничивания.

Намагничивание объекта контроля осуществляется продольным постоянным однородным полем. Уровень поля задастся пользователем.

Измерение прогнозируемого сигнала проводится в точках отсчета линейной матрицы из датчиков при сканировании. Точки отсчета располагаются в плоскости, параллельной объекту контроля и характеризуются пятью параметрами (Рис.б):

- расстоянием до объекта контроля Дг,

- расстоянием между точками отсчета Дг,

- расстоянием между датчиками ЛП,

- сдвигом центрального датчика относительно центра дефекта по оси Дг I,

- сдвигом центрального датчика относительно центра дефекта по азимуту

Рассчитываются три составляющие вектора индукции - осевая (продольная), азимутальная (поперечная) и радиальная (нормальная), а также производные осевой и азимутальной составляющих по осевой координате. С помощью дополнительного меню «Циклы» есть возможность рассчитывать большое количество вариантов. Результаты расчетов выводятся в текстовые файлы. Каждый файл содержит значения одной компоненты вектора индукции для одного датчика при его сканировании. Файлы записываются в каталоги, таким образом формируется база модельных сигналов.

Рассчитанные с помощью конечно-элементной модели сигналы могут быть использованы для расчета критерия оптимизации магнитных систем дефектоскопов, исследования характеристик сигналов, отработки алгоритмов распознавания типа и оценки размеров дефектов, а также в учебных целях. В данной работе программный модуль использовался для разработки основной магнитной системы (Глава 2.)

Четвертая глава посвящена разработке дополнительной магнитной системы внутритрубного магнитного дефектоскопа. Система предназначена для совместной работы с основной магнитной системой осевого намагничивания и перемещается в трубе вслед за ней.

Как показывает опыт, в большинстве случаев по сигналам датчиков основной машитной системы удается добиться обнаружения дефектов, размеры которых превышают 20-25% от толщины стенки трубы. Однако по полученным сигналам не всегда удается однозначно оценить некоторые параметры дефектов. При разработке автономного дефектоскопа для труб диаметром 530 мм, в частности, при разработке и отладке алгоритмов классификации и параметризации дефектов с использованием подготовленной базой сигналов оказалось, что определенные трудности вызывает разделение дефектов по признаку внутренний/внешний. Проведенные испытания основной магнитной системы на тестовой трубе подтвердили эти предположения. При участии автора была разработана дополнительная магшпно-измерительная система (МИС), позволяющая однозначно определять положение дефекта - на внутренней или внешней поверхности трубы.

Основные требования к дополнительной МИС:

- состоит из блоков, устанавливаемых по внутреннему периметру трубы, через каждые шесть градусов по азимуту,

- простота изготовления и низкая стоимость,

Рис 6 Расположение точек отсчета

- обеспечение возможности определения по измеренному сигналу положения дефекта на стенке трубы (внутренний/внешний),

- согласование с основными рабочими системами дефектоскопа по таким параметрам, как число информационных каналов, разрядность, питание.

На предварительном этапе было рассмотрено несколько возможных вариантов конструкции. Среди них системы, работающие в остаточном внешнем поле основной системы, и с собственным источником поля — постоянным магнитом; с использованием магнитопровода и без него; с датчиками Холла и с индукционными датчиками. По результатам двумерного моделирования различных по конфигурации систем выяснилось, что системы, работающие в остаточном поле основной системы, дают сигнал, по характеру мало отличающийся от сигналов основной системы. Применение различных ферромагнитных конструкций (магнитных головок, концентраторов, магнитопроводов) также было признано неоправданным.

В результате было принято решение разработать систему с вертикально намагниченным постоянным Mat питом и датчиками Холла или индукционными датчиками в качестве измерителей ноля. Рассматривались три варианта:

плоский широкий магнит с индукционными датчиками, расположенными под магнитом,

- аналогично предыдущему варианту, но с датчиками Холла,

- узкий высокий магнит с датчиками Холла по бокам магнита.

Результаты численного моделирования показали преимущества 3-го варианта конструкции, прежде всего по возможности разделения дефектов на внешние и внутренние. Следующий шаг - поиск оптимальных геометрических размеров выбранной конструкции, внешний вид которой изображен на Рис.7 слева.

На этапе проектирования для оптимизации были выбраны следующие параметры:

высота магнита

г = 7мм ),

ширина магнита

- расстояние от датчиков до магнита (не менее 0.5 и не более 10 мм),

- расстояние от датчиков до объекта контроля (не менее 2 и не более 8 мм),

- отношение характерных признаков сигналов от внешнего и внутреннего дефектов

((агялщ.».=о, (дгудг)™,=o.i).

Учитывались дополнительные условия, накладываемые на применение датчиков Холла типа Honeywell серии SS490, а также диктуемые технологическими возможностями. В качестве характерного признака сигнала быта взята разность между минимумом и максимумом сигнала датчиков при прохождении над дефектами: AS = Sm* - S„„„. Так как датчики Холла соединены попарно по дифференциальной схеме, то AS принимает вид:

Д5(ы, = п\ах(Нхг-Их,)-тЫИх2-Их,) (6)

где - значения касательной составляющей вектора напряженности поля в центре

первого и второго датчиков соответственно.

Для системы с индукционными датчиками выходной сигнал пропорционален производной касательной составляющей вектора напряженности поля по времени. В этом случае характерный признак сигнала принимает вид:

ASw = max

(7)

Анализ условий работы дополнительной МИС позволил использовать следующие параметры и коэффициенты: Табл. 5

¿1УЯ и 45"" • характерные признаки сигналов от внешнего и внутреннего дефектов соответственно. В качестве внутреннего дефекта была выбрана коррозионное пятно

диаметром 4 мм, глубиной I мм. В качестве внешнего дефекта - коррозия с размером 16 мм и глубиной 4 мм.

Такой выбор параметров объясняется: - желанием снизить массу магнита (минимальные размеры выбирались из технологических ограничений на изготовление магнита), желанием увеличить сигнал от внутреннего дефекта и уменьшить от внешнего. Таким образом, для дополнительной МИС целевая функция принимает вид:

Р = (8)

где. =Л11юи„ а IV, =ЛАГ", А?"')

Результаты двумерного сравнительного проектирования трех систем показали преимущество системы с датчиками Холла и узким вертикальным магнитом (3-нп вариант). Сравнительные данные приведены в Табл.6.

Параметр оптимизации - 1-ый вариант 2-ой вариант 3-ий вариант

Высота магнита, Л„„, 3 3 7

Ширина магнита, /„„,, 12 12 1

Параметр AS" •(äS*)"' 0.038 0.012 0.007

Приведенное* значение целевой функции, Р 2.04 1.4 1

* - значения целевой функции для различных вариантов систем приведены к значению для 3-его варианта.

При переходе к трехмерной задаче необходимо было определить длину магнита в азимутальном (перпендикулярном движению) направлении и координаты расположения датчиков относительно центра магнита. Первоначально предполагалось использование двух пар датчиков. Это определялось количеством выделенных информационных каналов на дополнительную МИС. Однако расчеты показали, что двух пар датчиков недостаточно. В этом случае азимутальное расстояние между датчиками в соседних блоках слишком велико, что может привести к возможному пропуску достаточно крупных дефектов.

Было принято решение увеличить число пар датчиков до трех, увеличив при этом длину магнита до максимально возможной по технологическим соображениям. Это привело к увеличению количества информационных каналов за счет уменьшения их разрядности. Такая магнитная система по расчетам "реагирует" на все внутренние коррозии с характерным размером на поверхности 8 мм и более.

Все описанные расчеты проводились без учета внешнего поля, создаваемого основной магнитной системой. Для оценки величины этого ноля и последующего ее учета была создана конечно-элементная модель основной магнитной системы дефектоскопа. По расчету напряженность поля в области дополнительной системы составила 550 А/м.

Далее были выполнены расчеты принятой конструкции системы с тремя ларами датчиков учетом поля основной системы дефектоскопа. Материал объекта контроля характеризовался кривой намагничивания В(Н). По результатам численного анализа установлено, что система хорошо «реагирует» на внутренние коррозии и крайне слабо на внутренние трещины и внешние дефекты. Такой результат был признан удовлетворительным и было принято решение об изготовлении пробной партии блоков. Стендовые испытания совместно с основной показали некоторые расхождения в реакции дополнительной системы на поперечные трещины и глубокие внешние коррозии.

Рис. 7 Конструкция блока дополнительном МИС с магнитом и тремя парами датчиков. Датчики разнесены к краям магнита для падежной выявляемости дефектов

Проанализировав экспериментальные данные, было сделано предположение о влиянии гистерезисных свойств ферромагнитного материала трубы на показания датчиков.

Это означает, что использование свойств материала в виде кривой намагничивания не всегда правомерно. Поэтому был разработан алгоритм учета петли гистерезиса. Суть его сводится к поэтапному перемагничиванию материала образца в соответствии с изменением величины и направления поля при движении основной магнитной системы. Поле при этом меняет знак дважды, после каждого изменения направления поля кривая намагничивания смешалась в ту или иную сторону в зависимости от направления и магнитного состояния участка трубы.

Сначала было рассчитано магнитное состояние бездефектного участка трубы после прохода основной магнитной системы. После этого в расчетах поле во всех точках области увеличивалось на значение, обеспечиваемое остаточной намагниченностью участков трубы. При этом поле в области дополнительной системы увеличилось с 550 до 1450 А/м. Дальнейшие расчеты, проведенные с учетом этого внешнего поля, подтвердили предположение о влиянии гистерезиса на показания датчиков дополнительной системы. Результаты расчетов хороню согласуются с результатами эксперимента.

Рис.8. Зависимость разности полезных сигналов пары датчиков от положения магнитной системы относительно центра дефекта с учетом гистерезиса материала. Дефект проходит под датчиками.

->*-Ви«шмм1 тртцима Я0 >70 ■ 12 ЕЬмомм фм^има Ю|24>09 — Вшиинн» трчцит в0|40«0$ -МО-, Х*м " Л 1

Л

! \

коррозия 46 2 а 4 2 — Виашим каарагмая пррвюн ЗБ Зв&Э 1 \

—■-гг^ ■-----

» рг^г* ) : 1 3

\ V .г^,'

и

Рис.9. Зависимость разности полезных сигналов пары датчиков от положения магнитной системы относительно центра дефекта с учетом гистерезиса материала. Дефект проходит под датчиками.

Анализ сигналов от внешних и внутренних дефектов показал, что все внешние дефекты, а также внутренние трещины дают разнополярный сигнал, а внутренние коррозии дают однополярный (Рис. 8 и 9). Этот характерный признак был использован для выделения сигналов от трещин и внешних коррозии от сигналов, вызванных внутренними коррознями. Кроме того, небольшие по глубине (до 30% от толщины стенки) внутренние коррозии дают сигнал, больший по амплитуде, чем относительно глубокие (выше 65% толщины) внешние трещины и коррозии. Эти факты подтверждают работоспособность спроектированной МИС и позволяют использовать ее во внутритрубных устройствах для сортировки дефектов на внешние и внутренние.

Основные результаты работы

1. Разработан программный интерактивный модуль расчета сигналов от дефектов различной формы и произвольных размеров. С помощью разработанного модуля создана база данных сигналов, необходимая как в процессе проектирования систем намагничивания, так и при разработке алгоритмов классификации и параметризации дефектов.

2. Проведены исследования влияния режимов намагничивания на чувствительность сигналов к параметрам дефектов и соотношение «сигнал/шум». Построены соответствующие зависимости.

3. Разработана намагничивающая система дефектоскопа, предназначенного для контроля труб диаметром 169 мм, обеспечивающая максимальную чувствительность сигнала к глубине дефекта. Дефектоскоп изготовлен и прошел стендовые испытания в ООО "Центр технической диагностики "Интроско" (г. Обниск), о чем свидетельствует акт о внедрении.

4. Разработана дополнительная магнитно-измерительная система в составе автономного внутрит рубного дефектоскопа (на трубы диаметром 530 мм) для определения положения дефекта - на внутренней или внешней поверхности стенки трубы. Система прошла предварительные испытания.

5. Разработана и внедрена в учебный процесс на кафедре Электротехники и Интроскопии МЭИ (ТУ) лабораторная работа «Моделирование намагничивания ферромагнитной трубы методом конечных элементов», о чем имеется акт о внедрении.

Р-6896

Основные положения диссертации изложены в следующих работах

1. К.В.Мякушев. В.П.Лунин, Проектирование магнитной системы для внутритрубного дефектоскопа // 9-я междун. Науч-техн. конф. студентов и аспирантов: тез.докл. - М.: МЭИ, 2003, стр.403

2. К.В.Мякушев, В.П Лунин, Банк магнитных сигналов от дефектов в стенках трубопровода // 9-я междун. Науч-техн. конф. студентов и аспирантов: тез.докл. - М.: МЭИ, 2003, стр.403404

3. К.В.Мякушев, В.ПЛунин, Проектирование дополнительной магнитной системы для внутрнтрубного дефектоскопа // 9-я междун. Науч-техн. конф. студентов и аспирантов: тез.докл. - М.: МЭИ, 2003, стр.404-405

4. К.В.Мякушев, В.П. Лунин, Адаптация интерфейса ANSYS для решения узкоспециальных задач. Расчет сигналов от дефектов в ферромагнитных объектах при магнитной методе контроля. // 3-я конференция пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH: труды конференции -М.: Издательство Барс, 2003, стр. 490-492.

5. К.В.Мякушев, В.ПЛунин, Применение численных методов при проектировании магнитных систем дефектоскопов и получении модельных сигналов от дефектов // Межд. Форум информатизации-2002: Доклады межд. конф. "Информационные средства и технологии", 2003г., Т1.-М.: Янус-К, стр. 107-110

6. K.V.Myakushev, V.P.Lunin Design of Additional Magnetic System for In-tubc Defcctoscope.// 3-rd Japanese-Mediterranean Workshop on Applied Electromagnetic Engineering for Magnetic and Superconducting Materials & 3-rd Workshop on Superconducting Flywheels: proceeding. - Greece, Athens, 2003, pp. 114-115.

7. Мякушев К.В., Применение информационных технологии в электротехнике // IV Межд. конференция «Электротехника, электромеханика и электротехнологии»: труды — М.: МЭИ, 2000, стр. 9-10

Подписано в печать 2004 г. Формат 60x84. 1/16 Объем 1п.л. Тираж 100 экз. Заказ

ЗАО «ЛИС'Я»