автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка методов улучшения технических характеристик электромагнитных дефектоскопов и создание аппаратуры для поточного контроля труб и проката

Глава 1. Современное состояние теоретических, экспериментальных исследований и технических разработок в области электромагнитной дефектоскопии металлоизделий.

1.1. Общая характеристика электромагнитной (вихретоковой и магнитной) дефектоскопии

1.2.Состояние теоретических и экспериментальных исследований в области вихретоковой дефектоскопии.

1.3.Методы обработки информации в вихретоковом контроле.

1.4.Состояние разработок электромагнитной дефектоскопической аппаратуры.

1.5.Краткие выводы и постановка основных задач диссертации.

Глава 2. Математическая модель для расчета сигналов от дефектов при контроле продольно-протяженных объектов вихретоковыми преобразователями (ВТП) проходного типа.

2.1 .Математическая модель и метод расчета электромагнитного поля проходного ВТП с проводящим объектом, содержащим длинный дефект цилиндрической формы.

2.2. Приближенный метод расчета электромагнитного поля проходного ВТП с проводящим объектом, содержащим длинный поверхностный дефект различной поперечной формы

2.3. Программное обеспечение для проведения численных расчетов электромагнитного поля цилиндра с неоднородностью. Расчет вносимого напряжения.

Краткие выводы.

Глава 3. Разработка методов улучшения технических характеристик дефектоскопов.

3.1. Общая постановка вопроса.

3.2.Экспериментальная установка и методика измерений.

3.3.Метод пространственной фильтрации.

3.4.Метод использования проходного ВТП с угловой асимметрией электромагнитного поля

3.5.Методы разделения дефектов по глубине их залегания.

Краткие выводы.

Глава 4. Разработка электромагнитных дефектоскопов для промышленного контроля труб и проката.

4.1 .Постановка задачи.

4.2.Конструктивные особенности вихретокового дефектоскопа ВД-40П.

4.2.1 .Назначение прибора.

4.2.2.Показатели назначения.

4.2.3.Технические характеристики.

4.2.4. Принцип работы и устройство.

4.2.5. Принцип работы электронных узлов.

4.3. Конструкция многоканального дефектоскопа ВМД-3ОН.

4.3.1. Назначение прибора.

4.3.2. Показатели назначения.

4.3.3. Технические характеристики.

4.3 4. Принцип работы и устройство.

4.3.5. Принцип работы электронных узлов дефектоскопа.

4.3.6. Управление работой дефектоскопа.

4.4. Результаты производственных испытаний.

Краткие выводы.

Глава 5. Метрологическое обеспечение дефектоскопа.

5.1. Общая постановка задачи.

5.2. Нормирование метрологических характеристик дефектоскопа.

Краткие выводы.

Основные результаты диссертационной работы.

Основные результаты диссертационной работы

1. Разработана теоретическая модель и метод решения задачи о распределении электромагнитного поля в проводящем объекте с цилиндрической неоднородностью, расположенной внутри объекта. Модель позволяет рассчитывать сигналы как от поверхностных, так и внутренних дефектов. Численные расчеты вносимого напряжения проходного ВТП проведены на компьютере с использованием современной программной среды Maple V. Полученные расчетные данные позволяют определять такие основные параметры проходных ВТП, как частоту тока питания токовой обмотки, чувствительность как к поверхностным, так и внутренним дефектам; соотношение сигнал/шум при формировании динамических сигналов.

2. Разработан метод приближенного расчета вносимого напряжения проходного ВТП с контролируемым цилиндрическим изделием, содержащим поверхностные дефекты различной поперечной формы (круглой, полукруглой, секторной, прямоугольной и др.). Погрешность расчетов не превышает 20-35%.

3. Разработаны и запатентованы два метода повышения основного дефектоскопического показателя приборов: соотношение сигнал/шум. Первый из них основан на пространственном дифференцировании информативных сигналов с помощью дополнительной дифференциальной пары измерительных обмоток, удаленных от контролируемого объекта на большее (по сравнению Q дрновной дифференциальной парой измерительных обмоток) расстояние. Экспериментальные исследования показали, что метод позволяет повысить соотношение сигнал/шум от двух до десяти раз (верхний предел в условиях недомагничивания объекта контроля продольным постоянным магнитным полем).

Второй метод основан на разработке новой конструкции проходного ВТП с угловой асимметрией поля, создаваемой с помощью металлического экрана с четырьмя дугообразными вырезами. Вырезы занимают зону дугой в 100° и смещены друг от друга на 90° в поперечном сечении, и на расстояние, равное их ширине, вдоль продольной оси экрана. Благодаря этому, создаются четыре параллельные зоны контроля с повышенной локальностью, При этом охватывается весь периметр объекта контроля. За счет уменьшения примерно в 4 раза зоны контроля, при сохранении чувствительности к дефектам, примерно в 2,5-4 раза, отношение сигнал/шум увеличивается в несколько раз (2-4), что подтверждено экспериментально.

5. Разработан метод разделения дефектов на поверхностные и внутренние. Метод основаны на использовании двух разночастотных электромагнитных полей. Метод с частотами /=0 (постоянное магнитное поле) и/=300 кГц реализован в многоканальной электромагнитной установке для контроля труб.

6. На основе проведенных исследований создан ряд промышленных дефектоскопов для поточного контроля труб и проката. ВД-40П - вихретоковый дефектоскоп с проходным ВТП для контроля изделий диаметром от 10 мм до 220 мм. В приборе реализованы два запатентованных метода повышения отношения сигнал/шум. Дефектоскоп сертифицирован, занесен в ГОСРЕЕСТР за №14430 и разрешен к применению в промышленности. Более 30 комплектов дефектоскопа внедрено в промышленность.

Многоканальная электромагнитная установка ВМД-30Н предназначена для контроля труб диаметром от 42 мм до 146 мм. В ней реализован метод разделения дефектов на поверхностные и внутренние. Установка прошла промышленные испытания на Синарском трубном заводе.

7. Разработано метрологическое обеспечение дефектоскопов. При этом реализованы новые подходы к их метрологии. При измерении сигналов от искусственных дефектов, по которым, согласно стандартам DIN, API, ISO, ГОСТ, нормируется порог чувствительности, прибор является измерительным средством, при выявлении реальных дефектов, дефектоскоп работает в режиме выхода «за допуск», т.е. в режиме «да», «нет». В документацию дефектоскопа введен такой метрологический параметр, как погрешность измерения сигналов от искусственного дефекта, что позволяет обеспечивать единство измерений приборами дефектоскопического назначения. Разработана методика поверки прибора, утвержденная ГОССТАНДАРТ-ом РФ. Разработаны методики изготовления, хранения и поверки стандартных образцов для настройки дефектоскопов.

1. Неразрушающий контроль и диагностика. - Справочник. Под редакцией Клюева В.В. -М.: Машиностроение, 1995, 448 с.

2. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов. ГОСТ 18353-79 -М. Госстандарт, 1979, 79 с.

3. Неразрушающий контроль материалов и изделий. Справочник под ред. Самойло-вича Г.С.- М. Машиностроение, 1976, 456 с.

4. Обобщение опыта применения неразрушающих методов контроля качества проката и труб. Тезисы докладов на семинаре. Минчермет, ЦНИИ информации и технико-экономических исследований черной металлургии,- М.: 1971, 46 с.

5. Соболев B.C., Шакрлет Ю.М. Накладные и экранные датчики. Новосибирск, Наука, 1967, 144с.

6. Дякин В.В., Сандовский В.А. Теория и расчет накладных вихретоковых преобразователей-М.: Наука, 1981. 135 с.

7. Герасимов В.Г. Электромагнитный контроль однослойных и многослойных изделий -М.: Энергия, 1972, 159 с.

8. Неразрушающий контроль качества и изделий электромагнитными методами. Авторы: Герасимов В.Г., Останин Ю.Я, Покровский А.Д, Сухоруков В.В., Чернов Л. А. М.: Энергия, 1978, 216с.

9. Герасимов В.Г., Клюев В В., Шатерников В.Е. Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий. М.: Энергоатомиздат, 1983, 272 с.

10. Неразрушающий контроль. В пяти книгах. Книга 3. Электромагнитный контроль /В.Г.Герасимов, А.Д.Покровский, В.В.Сухоруков./Под редакцией проф. В.В.Сухорукова. M.: Высшая школа, 1992, 312 с.

11. Гринберг Б.Д. Избранные опросы математической теории электрических и магнитных явлений. М.Л.: Изд. АН СССР, с.448-464.

12. Кошляков Н.С., Глинер Э.Е., Смирнов М.М. Дифференциальные уравнения математической физики. -М.: Физматгиз, 1962, с.632-681.

13. В.Г. Герасимов, Л.А.Чернов. Теоретические и экспериментальные исследования некоторых типов проходных датчиков. Дефектоскопия, 1965, 5, с.47-57.

14. Власов В.В., Комаров В.А. Взаимодействие магнитного поля длинной одновитко-вой токовой рамки с проводящим ферромагнитным цилиндром. Дефектоскопия, 1972, 4, с.64-74.

15. Hannaam L. Wirbelstrome in einen massiven Zylinder bei beliebig geformter erregender Leiterschleife. Archiv fur Elektrotechnik, 1973, B. 55, H.4, s.207-215.

16. Никитин А.И., Архипов Л.М. Расчет накладного датчика для контроля труб,- Доклады первой Всесоюзной межвузовской конференции по электромагнитным методам контроля качества материалов и изделий. Часть 1, 1972, 95-106 с.

17. Ботаки A.A. Исследование выявляемое™ продольных трещин в прутковом материале по методу переменного магнитного поля Тр. Сиб. физико-технический ин-т при Томском госуниверситете, 1947, вып.24, 39-43 с.

18. Ботаки A.A. Исследование выявляемое™ продольной трещины в немагнитных прутках и трубах по методу переменного поля. Канд. дисс., Томск, 1949.

19. Кессенис В.Г. Теория скин-эффекта и некоторые задачи дефектоскопии. ЖЭТФ, 1938, т.8,5, 531-548 с.

20. Сапожников А.Б. Основы электромагнитной дефектоскопии металлических тел. -Доктор, дисс. Томск: ТГУ, 1980, 308 с.

21. Эфрос А.М. Вихревые токи в цилиндре с разрезом. ЖЭТФ, 1940, т.Х, вып.6, с.34-39.

22. Бюлер Г.А. Напряженность магнитного поля в цилиндре с разрезом. Ученые записки Томского гос. университета, 1948, 11, с.47-52.

23. Михановский В.Н. Электромагнитная дефектоскопия в постоянном и переменном поле. Харьков: изд. ХГУ, 1963, 58 с.

24. Akazawa Yu., Examination of Steel Tubes, by Eddy-Current Methods Proceedings of the 3-d international Conference on Nondestructive Testing preprint N 304, Tokyo, 1960.

25. Akazawa Yu., Mori T. Further investigation an Examination of Steel Tuber by Eddy-Current Methods. Fourth International Conference on Nondestructive Testing, preprint N 39, London, Butterworths, 1963, p. 181.

26. Альден A.H., Блитц Ж. Определение вихретоковым методом трещин, ориентированных наклонно к поверхности. Доклады 8-ой Международной конференции по неразрушающему контролю. - Канны (Франция), 1976, препринт N3C14. Перевод ВЦП NA-30103, М.: 1977.

27. Burrows M L. A Theory of Eddy-Current Flaw Detection University Microfilms. Ins -Ann Arbor, Michigan, 1964.

28. Dodes C.V., Deeds W.E., Hequire I.W., Spoerq W.G. Analysis of eddy-current problem wilf a time-Schacompular. Material evaluation, 1969/ Vol. 27, 7, p. 165-168.

29. Dodes С. V., Deeds W.E., Hequire I.W. Integral solutions to Some eddy-current problems. International Journal of Nondestructive Testing, 1969, Vol. 1,6, p.29-30.

30. Тетерко А.Я. Исследование электромагнитного поля подповерхностных дефектов и разработка средств электромагнитной дефектоскопии. Канд. дисс,- М.: НИИИН, 1976.

31. Власов В.В., Комаров В.А. Электромагнитное поле вихревых токов над поверхностной трещиной в металле при возбуждении их накладным индуктором. Дефектоскопия, 1971, 6, с.63-76.

32. Сандовский В.А. К расчету сопротивления, вносимого трещиной в накладной преобразователь.-Дефектоскопия, 1976, 2, сю95-102.

33. Раевский В.Я., Дякин В.В, Сандовский В.А. Электромагнитное поле в окрестностях линейной трещины в образцах конечного сечения. Дефектоскопия, 1992, 10, с.50-60.

34. Сухоруков В.В. Основы теории и проектирования вихретоковых дефектоскопов с проходными преобразователями. Докт. дисс. -М.:НИИИН, 1979.

35. Сухоруков В.В. Математическое моделирование электромагнитных полей в проводящих средах. М.: Энергия, 1975, 162 с.

36. Беда П.И. Исследование сигнала накладного датчика в зависимости от изменения размеров и расположения дефектов типа трещин. Дефектоскопия, 1970, 1, с.62-67.

37. Беда П.И., Плотников И.Г. Моделирование сигналов накладного преобразователя, вызванного плоским дефектом произвольной формы. Дефектоскопия 1994, 2, с. 1926.

38. Беда П.И., Плотников И.Г. Зависимость вносимой ЭДС вихретокового преобразователя от параметров подповерхностных трещин. Дефектоскопия, 1992, 4, с.69-72.

39. Шкатов П.Н. Развитие теории и совершенствование методов и средств вихретоко-вой магнитной и электропотенциальной дефектоскопии и дефектометрии металлоизделий. Докт. дисс. НИИИН, 1990.

40. Гончаров Б.В. Теория и практика безэталонных электромагнитных методов контроля. М.: Машиностроение, 1975, 40 с.

41. Кузнецов В.Б. Повышение помехоустойчивости модуляционных электромагнитных дефектоскопов с проходными преобразователями. Канд. дисс. - М.: МЭИ, 1980.

42. Сох C.W. Renken C.J. The application of Signal Processing Techniques of Signal from Electromagnetic Test System - Materials Evaluation, 1970, v.28, 8, p. 173-181.

43. Renken C.J. The Rôle of high Resolution field and filtering in Eddy-current testing. -Material Evaluation, 1968, V. 26, 9, p. 191.

44. Макарычев Ю.И., Красильников A.O. Формирование и обработка двумерных изображений при вихретоковой компьютерной дефектоскопии металлов. Дефектоскопия, 1997, 4, с.35-46.

45. Попов В.К., Федоров А.Н., Ходулев Б.С. Вихретоковая дефектоскопия оболочек ТВЭЛ-ов. Дефектоскопия, 1996, 8, с.49-58.

46. Гольдштейн Л.Д., Зернов Н.В. Электромагнитные поля и волны. М.: Изд. «Советское радио», 1971, с.315.

47. Овчинников И.К. Теория поля. -М.: Изд. «Недра» 1971, с.245.

48. Е.А.Иванов. Дифракция электромагнитных волн на двух телах. Минск, Изд. «Наука и техника», 1968, с. 100.

49. Федосенко Ю.К., Гаврилов В.И., Лаврухин В.Н., Полевода A.A., Федосенко И.Ю. Вихретоковый проходной преобразователь для дефектоскопии продольно-протяжных изделий. Заявка N98104640/28 от 11.05.98 г. на патент РФ. Положительное решение от 11.05.1999г.

50. Б.М. Манзон. Maple V Power Edition. -М.:Информационно-издательский дом «Филинъ», 1998, 240 с.

51. Бабаджанов Л.С., Полевода A.A., Федосенко Ю.К., Федосенко И.Ю. Вихретоковый дефектоскопический контроль труб широкой номенклатуры диаметров и марок сталей. Измерительная техника, 1995, 10, с.37-39.

52. Полевода A.A., Федосенко И.Ю. О вихретоковой дефектоскопии с проходными преобразователями для поточного контроля труб и проката. Заводская лаборатория, 1998, 1, с.34-37.

53. Клюев В.В., Федосенко Ю.К., Гаврилов В.И., Лаврухин В.Н., Полевода A.A., Федосенко И.Ю. Электромагнитный дефектоскоп для контроля длинномерных изделий. Заявка №98102/99 от 6.05.1999 на патент РФ. Положительное решение от 29.04.99 г.

54. Гаврилов В.И., Лаврухин В.Н. Новые разработки и перспективы развития автоматизированных средств поточного контроля труб и проката. Электромагнитная тол-щинометрия покрытий. Контроль и диагностика. 1999, с. 10-15.

55. В.Г. Герасимов. Контроль биметаллических цилиндров методом вихревых токов. Доклады научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 1966-1967 г.г. М.: МЭИ, 1967, с. 125-130

56. Штафль. Электродинамические задачи в электрических машинах. М., Энергия, 1966, с. 135

57. У х в ерждакх^г^. Зам. глй^р^йкяйз^ера по тетникс. 'оЕфвгЦев.1. АКТооследования технического состояния средств неразрушаюи*' приобретенных по новой технике за 1990 1995 го;контроля/'

58. Комиссия в составе: Начальник лаборатории АСК Начальник участка ППРиН

59. Начальник участка эксплуатации цехов В-1, В-2, Т-3 Начальник участка эксплуатации цеха В-3

60. С. й. Аксенов А. В. Федотов1. A. В. Попон1. B. А. Клементьев

61. Составили настоящий Акт о техническом состоянии и эксплуатационных характер и ст и кал приборов серии ВД-40 производства МНПО "Спектр" и находящихся в эксплуатации в цехах Синарского трубного завода.

62. Приборы cqjnH ВД-40 были приобретены: 5 штук в 1993 году и 2 штуки в 1995 году и предназначались для работы в волочильных цехах В-1, В-2, В-3 и трубопрокатном цехе Т-3.

63. По поступлению на завод, приборы в течении месяца были запущены в эксплуатацию.

64. Назначение приборов: Метод неразрушающего контроля — вихретоковый.

65. Имеющиеся на заводе модификации приборов ВД-40 используются:

66. Неразрушающий контроль на сплошность стальных двухслойных свертных паяных труб по ГОСТ 11249 0 4,75-15 мм.

67. Неразрушающий контроль на сплошность тела горячекатанных и холодно-деформированных труб из углеродистой и низколегированной стали (Ст 10, Ст 20, 12Х1МД, 15ХМ и т.д.) на наличие поверхностных и подповерхностных дефектов 0 30 —90 мм.

68. Контроль на сплошность сварного шва и тела электросварных труб по ГОСТ 705-708 на наличие непроваров, шлаковых включений и т.д. 0 10 — 60 мм.

69. Альтернативный контроль герметичности взамен гидроиспытаний согласно SEP 1925 труб, изготовленных по DIN 1629, 1630 ит, д. 0 5 — 90 мм.1. Решение комиссии:

70. За время эксплуатации приборы показали высокую эксплуатацию¡шую надежность. Просты в эксплуатации. Ремонтопригодны. Обладают высокой чувствительностью, позволяющей вести контроль но зарубежным стандартам DIN, ASTM и др.

71. За время эксплуатации приборов ВД-40 было проконтролировано примерно 24 млн. метров труб различных диаметров, стенок и назначений.

72. Использование приборов ВД-40 привело к значительному сокращению претензий потребителей продукции АО "С'инТЗ".

73. Начальник лаборатории АСК Начальник участка ППРиН ^(А^ллjy^js^

74. Начальник участка эксплуатации цехов В-1, В-2, Т-3

75. Начальник участка эксплуатации цеха В-3 rf&^A' В. А. Клементьев

76. С. И.Аксенов А. В. Федотов А. В. Попов1. УТВЕРЖДАЮ:

77. Зам<директора по качеству ¿баи^-^-ЖК. Кондриков 1996 fi?1. Vict сдачидефектоскопа ВД-40П в производственную эксплуатацию цеха 8.1. Комиссия в составе:

78. Сычева Т.В. инженер по неразрушающим методам контроля ЦЛИТпровела 27.06.96 г. в цехе№ 8 ООООООООпронзводственные испытания дефектоскопа ВД-40П, изготовленного НПО " Спектр " г. Москва по договору №41/22 от 18.10.95 г.

79. В результате работы комиссии: Проконтролирована 1 тонна труб из них: 2 трубы забраковано дефектоскопом- брак ( подтвержден ОТК).

80. Все годные трубы из партии осмотрены ОТК их положительный результат также подтвержден.1. Форма 110024

81. Акционерное общество СЕВЕРСКИИ ТРУБНЫЙ ЗАВОД ^624090 Свердловской обл., г. ПЛпевскоЛ Телетайп 348873, 348871, «Луч> Тел. 21-0111£Ш№3аведунщему о тде ло и

82. МНПО "Спектр" Федосенко №. К.1 19 О 4 8 г. М о с к в а ул.Усачева, 35на №1. Я К. Г•! с п о л ь з л в а н и VI д е ф е и г о с к о п о в, р а з р а ;-> о "I а иных и изготовленных МНПО "Спектр" на нО "Северский трубный завод"

83. В настоящее время на заводе эксплуатируются приборы неразрушайте-- о к о н т р о л я, с:- л е д у ю щ и к т и п о в :

84. Дефектоскоп ВМД-50Н находится в эксплуатации с 1965 зодится контроль всего объема термообработанных труб в :оставило за этот период порядка 900 тыс.т.

85. ДеФектоскоп ВМД—50НМ эксплуатируется б лет и объем заннык труб составляет около 6 тыс.т.

86. Дефектоскопами типа ВД—31П оснащены четыре трубосварочных стана (6 приборов).Эти деФектоскопы внедрены в • 198£-1985 годах и объем проконтролированных труб составляет около £.6 млн т.

87. Дефектоскоп ВД-40Г1 находится в эксплуатации менее года и им проконтролировано порядка 5 тыс.т.

88. В настоящее время заводом прорабатывается во простое типа ВД--31П на ВД—40П.з а м е н ы д е ф е к т с к о -■4 а ч а л ь н и к Ц 3 Л и М3—£7—631. Ис'| аФИ Й Ч V Кл