Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние исследований вихретоковой и магнитной дефектоскопии металлических объектов - 12 -
1.1 Анализ состояния исследований и разработок в области электромагнитной дефектоскопии - 13 -
1.2 Моделирование процессов вихретокового и магнитного контроля - 29 -
1.3 Методы оценки остаточного ресурса металлоизделий - 49 -
1.4 Оптимизация вихретокого метода неразрушающего контроля при определении остаточного ресурса металла технических объектов - 55 -
Выводы и постановка задачи - 58 -
2. Автоматизация распознования образов дефектов - 60 -
2.1 Формализация образов дефектов посредством регрессионной фильтрации - 61 -
2.2 Определение образа дефекта с использованием нейронной сети - 72 -
2.3 Выделение новых классов образов дефектов - 96 -
Выводы - 112 -
3. Исследование остаточного ресурса изделий металлопроката с использованием электромагнитных методов контроля - 114 -
3.1 Определение остаточного ресурса металлопроката по минимальной толщине стенки на основании результатов толщинометрии с учетом общего коррозионно-эррозионного износа- 116 -
3.2 Классификация дефектов и повреждений выявляемых вихретоковым и магнитным методами НК - 128 -
3.3 Определение остаточного ресурса металлопроката с учётом выявленных дефектов и характеристик трещиностойкости - 132 -
3.4 Ресурсное обследование металлоконструкций магнитным методом НК - 141 -
3.5 Комплексная диагностика металлоконструкций и металлопроката магнитными и вихретоковыми методами НК - 151 -
Выводы - 156 -
4. Комплексное исследование металлопроката - 157 -
4.1 Исследование трещиностойкости металла при циклическом нагружении - 158 -
4.2 Исследование влияния областей металла подверженных стресс-коррозии на трещиностойкость - 166 -
4.3 Вихретоковый метод контроля твердости металла - 173 -
Выводы - 179 -
5. Приборы и средства НК - 180 -
5.1 Вихретоковый дефектоскоп ВД-41П - 183 -
5.2 Многоканальная вихретоковая система ВД-91НМ - 193 -
5.3 Вихретоковая роботизированная система ВД-41П-р - 195 -
5.4 Ручной вихретоковый дефектоскоп ВД-93 - 197 -
5.5 Вихретоковый дефектоскоп ВД-90НС - 199
5.6 Толщиномер ЭМАт100 - 202
5.7 Приборы Магнитного метода НК - 205
5.8 Прочие методы контроля - 214
Выводы - 221
Заключение - 223
Библиографический список использованной литературы - 226
- Оптимизация вихретокого метода неразрушающего контроля при определении остаточного ресурса металла технических объектов
- Определение остаточного ресурса металлопроката по минимальной толщине стенки на основании результатов толщинометрии с учетом общего коррозионно-эррозионного износа
- Комплексная диагностика металлоконструкций и металлопроката магнитными и вихретоковыми методами НК
- Вихретоковый дефектоскоп ВД-41П
Введение к работе
1.1. Актуальность темы
Глобальная урбанизация, свойственная современному миру, неразрывно связана со все возрастающей ролью технического прогресса в жизни человека. Рост уровня жизни и потребления требует постоянного наращивания промышленного потенциала, внедрения новых наукоемких технологий. Мировая экономика поддерживается за счет постоянного увеличения производства. Для удовлетворения современных потребностей постоянно разрабатываются и внедряются все новые материалы на основе углеводородов.
Тем не менее, производство и потребление металлов во всем мире постоянно растет. За последние два десятилетия потребление металлов в мире удвоилось и составляет около 800 млн т в год, а общемировой металлофонд приближается к 8 млрд т. Металлы остаются основными поскольку по своим свойствам, экономичности производства не имеют себе равных в большинстве сфер применения. В настоящее время 72…74% всего национального составляет продукция, в производстве которой применялись черные и цветные металлы.
Россия является единственной страной в мире, обеспечивающей свои потребности во всех видах минеральных ресурсов. Важнейшим ресурсом является железная руда. С одной стороны, этот минерал является самым распространенный элементом земной коры, и разведанные мировые запасы оцениваются в 200 млрд т, которых при расчетных темпах использования должно хватить более чем на два века. Разведанные запасы железной руды на территории нашей страны также достаточно велики. С другой стороны прослеживается тенденция к сокращению запасов в традиционных, центрах добычи и переработки металлов. Так в Уральском регионе уже требуется завозить сырье для загрузки металлургических комбинатов, из центральных районов страны, при этом значительно увеличились издержки за счет транспортных расходов и себестоимости тонны породы добытой в тяжелых климатических условиях.
Контроль качества металлопродукции становится все более очевидным способом сбережения ресурсов и наиболее верным с экономической и экологической точек зрения. Гарантированное качество выпускаемой продукции в эпоху глобализации не только делает товары востребованными в конкурентной борьбе мировых производителей, продлевает срок их эксплуатации и экономит невосполнимые природные ресурсы, но и исключая техногенные аварии спасает бесценные человеческие жизни и экологическую среду.
Гонка технологий не могла не затронуть приборы и методы неразрушающего контроля (НК). Высокий уровень развития промышленности во всем мире неразрывно связан с использованием методов неразрушающего контроля (НК) на всех этапах жизни металлоизделий. На сегодняшний день нет отрасли промышленности, в которой не использовались бы современные методы и средства НК. К шести основным методам контроля в последние годы добавился ряд новых методов совмещающих в себе несколько физических принципов и позволяющих, сохраняя основные достоинства классических методов, значительно расширить область их применения.
Широчайший класс изделий металлопроката подлежит контролю с начальных этапов производства. В дальнейшем, в зависимости от области эксплуатации, изделие из металлопроката может подвергаться периодической диагностике с использованием различных методов НК вплоть до принятия решения о его ненадежности и выводе из эксплуатации.
Важное место среди методов НК, применяемых для контроля изделий, использующих в своей конструкции сортовой, фасонный или листовой металлопрокат, занимают методы вихретокового (ВК) и магнитного контроля (МК). Средства контроля, реализующие в своей конструкции данные методы, обеспечивают высокую надежность при обнаружении поверхностных несплошностей металла, позволяют проводить контроль структуры, и электромагнитных свойств металла объекта контроля (ОК).
1.2. Состояние проблемы
Благодаря лавинообразному развитию микропроцессорных технологий, приборы, реализующие принципы ВК и МК, перешли на новый качественный уровень. Появилась возможность использовать многоканальные системы контроля, сохранять полученную информацию в полном объеме, а также использовать математический аппарат для постобработки сохраненной информации. На первый план выходят требования по автоматизации контроля от техпроцесса съема информации до документирования результатов контроля.
Разработка методов обработки информации и принятия решения, исключающие влияние человеческого фактора, являются актуальными и востребованными при проведении диагностики металлопроката на этапах производства и на протяжении всего срока эксплуатации.
Недостаточно реализована и задача автоматизации процесса контроля. Требования по сохранению и документированию всех результатов проведенного контроля должны быть реализованы во всех выпускаемых приборах НК, что позволит не только повысить ответственность лиц ответственных за проведение диагностики, но и даст возможность оценивать состояние ОК в динамике на протяжении всего срока его эксплуатации.
В настоящее время в России и за рубежом созданы и внедрены в промышленности различные типы магнитных и вихретоковых дефектоскопов, позволяющих обнаруживать поверхностные трещиноподобные и коррозионные дефекты; структуроскопы и толщиномеры. Эффективные при решении конкретных задач НК приборы каждого из методов не способны оценить общее состояния обследуемого металлоизделия. В том случае, когда при диагностике изделий металлопроката обнаружить корреляцию между результатами различных методов НК не представляется возможным, то для оценки остаточного ресурса металлоизделий и определения срока их безаварийной эксплуатации комплексный подход является единственным логичным продолжением развития НК.
Создание новых и развитие существующих методов оценки остаточного ресурса и риска эксплуатации изделий металлопроката, на основе применения магнитного и вихретокового методов НК являются актуальными и экономически обоснованными научно-техническими задачами.
В современной дефектоскопии требования к процессу контроля непрерывно растут, в связи с чем, увеличивается объем обрабатываемых данных. По этой причине, задача совершенствования приборов и средств НК с использованием современной и высокопроизводительной вычислительной техники остается актуальной и сегодня.
В связи с этим настоящая работа посвящена развитию методов и средств вихретокового и магнитного контроля металлопроката для оценки его остаточного ресурса.
1.3. Цель диссертационной работы
Цель данной диссертационной работы состоит в совершенствовании теории вихретокового и магнитного методов контроля сортового, трубного и листового металлопроката; повышении достоверности автоматизированного обнаружения дефектов и их идентификации; создании приборов и средств вихретокового и магнитного методов НК для диагностики технического состояния металлопроката и оценки его остаточного ресурса.
1.4. Основные задачи диссертационной работы:
Для достижения сформулированных целей потребовалось решить следующие задачи:
-
Провести анализ существующих методов магнитной и вихретоковой дефектоскопии, выявить их недостатки и определить круг задач по их совершенствованию.
-
Разработать способ автоматизированного определения образов дефектов, основанных на алгоритмах, применяющих формализацию образов дефектов с использованием регрессионного анализа; сверточных нейронных сетей и самообучающихся классификаторов образов дефектов.
-
Совершенствование методов оценки остаточного ресурса металлопроката с использованием комплексирования результатов диагностики вихретокового, магнитного и ЭМА методов неразрушающего контроля.
-
Провести исследования и определить степень влияния локальной области с измененными магнитными свойствами на трещиностойкость металла ОК.
-
Провести исследования влияния анизотропии свойств листового металлопроката на скорость роста трещиноподобных дефектов.
-
Провести исследование применимости вихретокового контроля для контроля твердости трубного металлопроката.
-
На основе предложенных алгоритмов и решений разработать и создать средства магнитного и вихретокового контроля предназначенные для автоматизированного контроля металлопроката и документирования результатов диагностики.
1.5. Научная новизна
1. Разработан алгоритм распознавания формализованного образа дефекта с помощью
стохастической матрицы с использованием регрессионного анализа.
-
Разработаны алгоритмы распознавания образа дефекта с использованием сверточной нейронной сети и самообучаемых классификаторов новых образов дефектов, построенных по архитектуре адаптивно-резонансной теории.
-
Проведены теоретические и экспериментальные исследования, результатом которых стал алгоритм учитывающий комплексирование результатов диагностики магнитного и вихретокового методов неразрушающего контроля изделий трубного металлопроката.
1.6. Теоретическая и практическая значимость работы
Предложены и программно реализованы алгоритмы автоматизированного определения образов дефектов с использованием регрессионного анализа; сверточных нейронных сетей и самообучающихся классификаторов бинарной и аналоговой нейронных сетей, построенных по архитектуре адаптивно резонансной теории.
Разработан алгоритм проведения диагностики металлоконструкций и изделий металлопроката с применением комплексирования результатов контроля магнитного и вихретокового методов с целью уточнения результатов расчетов оценки остаточного ресурса ОК, полученного при использовании существующих методик.
Разработан способ контроля твердости поверхностей газопроводных труб для морских переходов марки Х65 с переменным рабочим зазором вплоть до 7 мм без потери чувствительности.
1.7. Методология и методы исследования
В работе используются аналитические, экспериментальные и численные методы исследования. При разработке метода формализации образа дефекта используется регрессионная фильтрация, статистический анализ. При разработке нейронных сетей классификаторов применена архитектура адаптивной резонансной теории.
При проведении исследований применялись вихретоковый, магнитный, магнитопорошковый и электромагнитно-акустический методы неразрушающего контроля. Применен расчет оценки малоцикловой долговечности по критерию зарождения трещины из уравнения Менсона – Коффина. Степень влияния областей подверженных стресс-коррозии исследовалась с использованием магнитной структуроскопии и разрушающего метода исследования скорости роста трещин с использованием симметричного цикличного нагружения.
1.8. Положения, выносимые на защиту
-
Способ автоматизированного определения дефектов с применением формализации их образов с использованием регрессионного анализа;
-
Предложены подходы к построению и алгоритмы сверточной нейронной сети для выделения образов дефектов из массива данных, полученных при сканирования поверхности металлопроката и самообучающихся бинарной и аналоговой нейронных сетей, построенных по архитектуре адаптивно резонансной теории АРТ-1 и АРТ-2.
-
Методика оценки остаточного ресурса участков трубного металлопроката после проведения ремонтных работ на участках с дефектами типа стресс-коррозия и общее коррозионно-эрозионное поражение с изменением коэрцитивной силы металла.
-
Предложены подходы к конструированию автоматизированных систем вихретокового, магнитного и ЭМА контроля.
-
Концепция построения вихретоковых дефектоскопов, позволяющих контролировать как поверхностные, так и внутренние дефекты в изделиях из ферромагнитных материалов.
1.9. Практическая значимость и реализация результатов работы
Разработан и внедрен вихретоковый дефектоскоп ВД-41П предназначенный для проведения автоматизированного вихретокового контроля.
Разработана и внедрена система вихретокового контроля ВД-41П-ф для контроля ферромагнитных труб и прутков.
Разработана автоматизированная система вихретоковой дефектоскопии немагнитных металлов и сплавов ВД-41П-нф.
Разработана многоканальная система вихретокового контроля ВД-41П-н15.
Разработана программируемая роботизированная система для проведения неразрушающего контроля изделий сложной формы.
Разработан ручной вихретоковый дефектоскоп ВД-90НС и широкополосный сканер-преобразователь для контроля трубопроводов, баков и других протяженных объектов.
Разработан ручной малогабаритный вихретоковый дефектоскоп ВД-93.
1.10. Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на V Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (Москва, 2002); 1-ой Национальной конференции “Методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики” (Молдова, Кишинев, 2003); III, VI и VII Международных выставках и конференциях «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 2004, 2007, 2008); XV Международной конференции и выставки, «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики»(Ялта, 2007); 13-ой и 17-ой Международных деловых встречах «Диагностика – 2003» и «Диагностика – 2007» (Сочи, 2003, 2007); III Российской научно-технической конференции “Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций” (Екатеринбург, 2007); XV международной конференции "Современные методы и средства НК и ТД" (Ялта, 2007); XVIII всероссийской научно-техническая конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике (Нижний Новгород 2008); XVII Всемирной конференции и выставке по неразрушающему контролю (Китай, Шанхай, 2008); Международной конференции "Неразрушающий контроль и диагностика – 2009" (Литва, Каунас, 2009); 3-й международной научно-техническая конференции и выставке «Современные методы и приборы контроля качества и диагностика состояния объектов» (Беларусь, Могилев, 2009); X-ой Европейской конференции по неразрушающему контролю (Москва, 2010); XIX Всероссийская Конференция по НК и ТД (Самара, 2011); XVII Всемирной конференции по неразрушающему контролю (Южная Африка, Дурбан, 2012); XX Всероссийской научно-технической конференции по НК и ТД (Москва, 2014); 5-я Международной научно-технической конференции и выставке «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов», (Республика Беларусь, Могилев, 2014); XI-ой Европейской конференции по неразрушающему контролю (Чехия, Прага, 2014).
По материалам диссертации опубликовано 47 печатных работ, в том числе 1 монография, 15 статей в изданиях из списка ВАК (журналы «Дефектоскопия», «Контроль. Диагностика»). На технические решения, реализованные в разработанных вихретоковых средствах контроля и намагничивающем устройстве, получены 1 патент РФ на изобретение и 6 патентов РФ на полезную модель.
Разработанный вихретоковый дефектоскоп ВД-90НП занял 1-е место в конкурсе «ИННОВАЦИЯ 2009», проводившемся в рамках VIII Международной выставки и конференции NDT-2009 и награжден золотой медалью IX-го международного форума «Высокие технологии XXI века».
1.11. Структура и объем работы
Оптимизация вихретокого метода неразрушающего контроля при определении остаточного ресурса металла технических объектов
Относительно высокий уровень развития систем ВК основанный на цифровой обработке информативных сигналов с использованием высокоскоростных микропроцессоров и промышленных компьютеров позволил повысить достоверность контроля. Применение сложных алгоритмов для решения многопараметровых задач ВК, повышения степени автоматизации контроля и эксплуатационной надежности позволило, в ряде отраслей, на основе средств вихретокового контроля разработать технологии контроля действующего оборудования.
Вихретоковый метод НК нашел широкое применение в различных отраслях при проведении периодических обследований технических объектов. Российские стандарты [183…185], разработанные для ВК на сегодняшний день, морально устарели и на опасных промышленных объектах применяются отраслевые стандарты, разработанные с учетом требований использования и практики эксплуатации технических объектов.
При эксплуатации тепловых электростанций проводятся работы по периодическому мониторингу состояния и возможного продления срока эксплуатации сверх паркового ресурса основных элементов котлов, турбин и трубопроводов. Работы выполняются в соответствии с требованиями действующей нормативной документации РД 10-577-03, СО 153-34.17.440-2003 [186, 187] и включают в себя следующие этапы:
Обобщение и систематизация данных по режиму работы, результатам контроля, ремонтам и заменам элементов турбины за весь период эксплуатации.
Проведение неразрушающего контроля (ВК, УЗК, ТВК) осевых каналов роторов высокого (ВД) и среднего (СД) давления, галтельных переходов, тепловых канавок, разгрузочных отверстий высокотемпературных ступеней роторов и ультразвуковой контроль Т-образных пазов ободов регулирующих ступеней роторов ВД и СД без разлопачивания.
- Исследование структуры и свойств металла высокотемпературных ступеней роторов ВД и СД по результатам измерения твердости и анализа микроструктуры на сколах или репликах.
- Назначение по результатам неразрушающего контроля корпусных деталей мест для вырезки образцов и проведение исследований структуры и свойств металла корпусных деталей на вырезанных образцах (или спилах).
- Расчёт напряжённого состояния и оценка ресурса роторов высокого и среднего давления, а также поверочный расчёт на прочность и долговечность корпусных деталей с установлением порядка их последующего контроля.
Обобщение результатов обследования и выпуск экспертного заключения с рекомендациями по сроку и условиям дальнейшей эксплуатации турбины.
Для контроля стальных сосудов, в том числе и работающих под давлением разработаны регламентирующие документы РД 03-421-01 [189]. РД распространяются на отечественные и зарубежные стальные сосуды и аппараты химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслей промышленности, при условии, что на них распространяются требования «Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением». Методические указания содержат основные требования и рекомендации к проведению диагностирования технического состояния и определению остаточного ресурса эксплуатации сосудов.
Согласно РД вихретоковый метод может быть использован для контроля металла в околошовных зонах сварных швов, особенно в местах концентрации напряжений (местах приварки патрубков, люков, горловин, фланцев и др.). Вихретоковый контроль должен быть использован для выявления межкристаллитной коррозии (МКК) и коррозионного растрескивания (КР) и сварных соединений из нержавеющих аустенитных сталей. Метод эффективен для выявления трещин КР, а также МКК, но он не может быть рекомендован для контроля сварных швов в целях выявления внутренних дефектов. Поэтому при диагностировании сосудов и аппаратов наиболее целесообразно применять вихретоковый метод в сочетании с ультразвуковым, радиографическим или акустико-эмиссионным методами. Но он не может быть рекомендован для контроля сварных швов в целях выявления внутренних дефектов. Поэтому при диагностировании сосудов и аппаратов наиболее целесообразно применять вихретоковый метод в сочетании с ультразвуковым, радиографическим или акустико-эмиссионным методами.
В ОАО «ГАЗПРОМ» принята «Инструкция по оценке дефектов труб и соединительных деталей при ремонте и диагностировании магистральных газопроводов», предписывающая порядок применения различных методов НК [189]. Согласно вышедшему документу вихретоковый контроль выполняют в объеме не менее 10% от общего числа труб и СДТ для выявления стресс-коррозионных дефектов глубиной менее 10% от толщины стенки труб и СДТ, а также определения геометрических размеров стресс-коррозионных дефектов, в том числе выявленных сканером-дефектоскопом; ультразвуковой контроль локальных участков поверхности металла труб, заводских сварных швов в объеме не менее 0,2% от площади поверхности труб и не менее 1% от протяженности заводских сварных швов длиной до 0,2 м, примыкающих к монтажным сварным швам.
Магнитопорошковый контроль применяется для визуализации выявленных поверхностных металлургических и стресс-коррозионных дефектов и выполняется в объеме не менее 10% от числа выявленных дефектов и аномалий.
Толщинометрию бездефектных стенок труб, а также дефектных стенок в местах их уплотнения выполняется по сетке с шагом не более 25 мм. В своей работе посвященной современному состоянию и перспективам развития вихретокового метода НК Клюев В.В. [190] отмечает, что возможности ВК с учетом его комплексирования с другими методами НК может существенно продвинуть дефектоскопический контроль и даст возможность визуализации пространственного распределения локальных неоднородностей во всем объеме изделия. Компьютерная обработка изображений позволит не только определить пространственное расположение дефектов, но и провести измерение их размеров. Комплексирование методов НК должно быть направлено на решение единой задачи определения остаточного ресурса ответственных узлов и агрегатов различного назначения.
Определение остаточного ресурса металлопроката по минимальной толщине стенки на основании результатов толщинометрии с учетом общего коррозионно-эррозионного износа
Толщинометрия изделий из металлопроката производится для определения остаточной толщины стенки, либо для выявления точечных коррозионных поражений. Сплошной контроль элементов металлопроката методами НК не всегда возможно выполнить, как из-за недоступности некоторых участков, так и из-за большого объема работ: непосредственно толщинометрии и сопутствующих подготовительных.
В случаях, когда повреждение металлоконструкций носит однородный характер, либо когда недоступные для контроля участки имеют сходные с соседними, доступными участками, режимы эксплуатации применяется выборочный контроль. В этих случаях для уменьшения величины погрешности оценка поврежденности необходимо применение статистических методов. Оценка остаточной толщины проводится по размерам наиболее крупных выявленных дефектов, их количеству и т.д. [237] .
Контроль объектов подверженных общей коррозии либо износу стенок.
Достоверность проведенного контроля характеризуется степенью соответствия полученных результатов фактическому техническому состоянию ОК. Качество оценки объекта определяется двумя показателями: точностью измерения и доверительной вероятностью [238].
Точность определения толщин указывается в виде доверительного интервала
(tU3M ± tA ), где tU3M - заявленная измеренная толщина, tA - доверительный интервал; либо в виде пороговой доверительной границы (tU3M S мм), где S - пороговое значение (граница).
Доверительную вероятность - вероятность нахождения фактического размера внутри определенного доверительного интервала, в зависимости от уровня ответственности контроля, стандарты рекомендуются в соответствии со стандартами и ответственностью контроля принимать равным 0,95.
На результат измерения влияют объективные и субъективные погрешности измерения. К субъективным относятся погрешности, вызванные человеческим фактором, т.е., действиями оператора выполняющего процедуру контроля и проводящего необходимые расчеты.
К объективным источникам погрешности относятся: погрешности метода, погрешности средств измерений, статистические отклонения, обусловленные выборочным проведением контроля.
Субъективная погрешность должна учитываться при итоговом расчете надежности конструкции либо ОК, при этом в ходе проведения работ она должна быть максимально минимизирована. Должны быть проведены работы по улучшению условий труда и уровню обучения персонала. В рассмотренных ниже алгоритмах проведения контроля субъективные погрешности рассмотрены не будут.
При проведении контроля толщины стенки изделий из металлопроката на точность измерения, прежде всего, влияет объем выборки измерений. Большой разброс результатов измерений может наблюдаться из-за неравномерности коррозионных поражений. Это различие часто бывает вызвано различием условий нагружения различных участков ОК, стохастическими свойствами процесса коррозии, повреждением защитных покрытий.
В общем случае составляется карта контроля изделия, на которой определяются точки измерения толщины стенки. Точки распределяют равномерно. При планировании проведения НК необходимо определить количество точек N, выбираемых для проведения толщинометрии. При этом находится, характерный для инженерных задач, компромисс между достоверностью контроля, и его трудоемкость. В зависимости от числа измерений возможна реализация нижеследующих вариантов контроля: Сплошной – контроль, при котором измеряют толщину стенки на всех поверхности P. Сплошной контроль не имеет статистической погрешности. Погрешность измерения определяется технической погрешностью приборов и методов контроля. Выборочный – контроль, при котором число точек n и следовательно проконтролированная поверхность меньше площади поверхности ОК P/P0 1, где P0 - площадь контролируемой поверхности. Достоверность контроля при выборочном контроле зависит от величины отношения P/P0 и степени неравномерности коррозии. Поскольку при выборочном контроле измерения осуществляют в намеченных точках, то при этом способе минимальная из измеренных величин может оказаться значительно больше, чем фактическая минимальная толщина стенки ОК. Достоверность контроля в этом случае остается неопределенной, если не учитывать разброс фактических толщин элементов металлоконструкций. В общем случае контроль толщины стенок ОК производится выборочным способом: на первом этапе при контроле по намеченным точкам определяются участки с коррозионным повреждением, с учетом заданного размера минимальной области поражения ОК;
на втором этапе определяются границы пораженных коррозией участков; на третьем снова применяется вероятностный способ для контроля толщин отдельного выявленных корродированных участков ОК или сплошной пораженных участков - сплошной контроль участков глубина коррозии на которых не зависит от соседних участков. На практике применяется при контроле участков ОК с поврежденными защитными покрытиями. В этом случае контроль всей поверхности не имеет смысла и допускается либо выборочный контроль участков с некородированной поверхностью либо точечная проверка толщины стенки с заявленными чертежными данными объекта.
В случае эрозионного поражения допускается на втором этапе выделять участки с максимальным повреждением поверхности, но при этом на первом участке число точек контроля должно быть увеличено.
В случае, когда отбраковка ОК производится по критерию превышения пороговой толщины tMUH tep , где tMUH - минимальная расчетная толщина стенки проконтролированного ОК с учетом непроконтролированных участков, t p - толщина при которой дальнейшая эксплуатация ОК недопустима [239].
Ниже рассмотрим частный случай выборочного контроля при малом числе N. Такие измерения допускаются при контроле отдельных зон элементов металлоконструкций. При этом достоверность контроля может быть достаточно высокой, если известен разброс измеряемой толщины стенки ОК определяемый по среднему квадратичному отклонению О.
Среднее квадратичное отклонение определяется по результатам проведенных измерений на участках поверхности, находящихся в одинаковых условиях эксплуатации, по формуле 3.1:
Комплексная диагностика металлоконструкций и металлопроката магнитными и вихретоковыми методами НК
Толщинометрия изделий из металлопроката производится для определения остаточной толщины стенки, либо для выявления точечных коррозионных поражений. Сплошной контроль элементов металлопроката методами НК не всегда возможно выполнить, как из-за недоступности некоторых участков, так и из-за большого объема работ: непосредственно толщинометрии и сопутствующих подготовительных.
В случаях, когда повреждение металлоконструкций носит однородный характер, либо когда недоступные для контроля участки имеют сходные с соседними, доступными участками, режимы эксплуатации применяется выборочный контроль. В этих случаях для уменьшения величины погрешности оценка поврежденности необходимо применение статистических методов. Оценка остаточной толщины проводится по размерам наиболее крупных выявленных дефектов, их количеству и т.д. [237] .
Контроль объектов подверженных общей коррозии либо износу стенок.
Достоверность проведенного контроля характеризуется степенью соответствия полученных результатов фактическому техническому состоянию ОК. Качество оценки объекта определяется двумя показателями: точностью измерения и доверительной вероятностью [238].
Точность определения толщин указывается в виде доверительного интервала (tU3M ± tA ), где tU3M - заявленная измеренная толщина, tA - доверительный интервал; либо в виде пороговой доверительной границы (tU3M S мм), где S - пороговое значение (граница).
Доверительную вероятность - вероятность нахождения фактического размера внутри определенного доверительного интервала, в зависимости от уровня ответственности контроля, стандарты рекомендуются в соответствии со стандартами и ответственностью контроля принимать равным 0,95.
На результат измерения влияют объективные и субъективные погрешности измерения. К субъективным относятся погрешности, вызванные человеческим фактором, т.е., действиями оператора выполняющего процедуру контроля и проводящего необходимые расчеты.
К объективным источникам погрешности относятся: погрешности метода, погрешности средств измерений, статистические отклонения, обусловленные выборочным проведением контроля.
Субъективная погрешность должна учитываться при итоговом расчете надежности конструкции либо ОК, при этом в ходе проведения работ она должна быть максимально минимизирована. Должны быть проведены работы по улучшению условий труда и уровню обучения персонала. В рассмотренных ниже алгоритмах проведения контроля субъективные погрешности рассмотрены не будут.
При проведении контроля толщины стенки изделий из металлопроката на точность измерения, прежде всего, влияет объем выборки измерений. Большой разброс результатов измерений может наблюдаться из-за неравномерности коррозионных поражений. Это различие часто бывает вызвано различием условий нагружения различных участков ОК, стохастическими свойствами процесса коррозии, повреждением защитных покрытий.
В общем случае составляется карта контроля изделия, на которой определяются точки измерения толщины стенки. Точки распределяют равномерно. При планировании проведения НК необходимо определить количество точек N, выбираемых для проведения толщинометрии. При этом находится, характерный для инженерных задач, компромисс между достоверностью контроля, и его трудоемкость. В зависимости от числа измерений возможна реализация нижеследующих вариантов контроля: Сплошной – контроль, при котором измеряют толщину стенки на всех поверхности P. Сплошной контроль не имеет статистической погрешности. Погрешность измерения определяется технической погрешностью приборов и методов контроля. Выборочный – контроль, при котором число точек n и следовательно проконтролированная поверхность меньше площади поверхности ОК P/P0 1, где P0 - площадь контролируемой поверхности. Достоверность контроля при выборочном контроле зависит от величины отношения P/P0 и степени неравномерности коррозии. Поскольку при выборочном контроле измерения осуществляют в намеченных точках, то при этом способе минимальная из измеренных величин может оказаться значительно больше, чем фактическая минимальная толщина стенки ОК. Достоверность контроля в этом случае остается неопределенной, если не учитывать разброс фактических толщин элементов металлоконструкций. В общем случае контроль толщины стенок ОК производится выборочным способом: на первом этапе при контроле по намеченным точкам определяются участки с коррозионным повреждением, с учетом заданного размера минимальной области поражения ОК; на втором этапе определяются границы пораженных коррозией участков;на третьем снова применяется вероятностный способ для контроля толщин отдельного выявленных корродированных участков ОК или сплошной пораженных участков - сплошной контроль участков глубина коррозии на которых не зависит от соседних участков. На практике применяется при контроле участков ОК с поврежденными защитными покрытиями. В этом случае контроль всей поверхности не имеет смысла и допускается либо выборочный контроль участков с некородированной поверхностью либо точечная проверка толщины стенки с заявленными чертежными данными объекта.
В случае эрозионного поражения допускается на втором этапе выделять участки с максимальным повреждением поверхности, но при этом на первом участке число точек контроля должно быть увеличено.
В случае, когда отбраковка ОК производится по критерию превышения пороговой толщины tMUH tep , где tMUH - минимальная расчетная толщина стенки проконтролированного ОК с учетом непроконтролированных участков, t p - толщина при которой дальнейшая эксплуатация ОК недопустима [239].
Ниже рассмотрим частный случай выборочного контроля при малом числе N. Такие измерения допускаются при контроле отдельных зон элементов металлоконструкций. При этом достоверность контроля может быть достаточно высокой, если известен разброс измеряемой толщины стенки ОК определяемый по среднему квадратичному отклонению О.
Среднее квадратичное отклонение определяется по результатам проведенных измерений на участках поверхности, находящихся в одинаковых условиях эксплуатации, по формуле 3.1:
Вихретоковый дефектоскоп ВД-41П
В главе приведены средства НК, разработанные при непосредственном участии автора в период с 1998 по 2014 годы. По результатам эксплуатации приборов проводилась их модернизация; схемотехнические наработки и результаты проведенных исследований ложились в основу следующего поколения вихретоковых и магнитно-вихретоковых систем и приборов. За исключением первого вихретокового дефектоскопа ВД-12НФМ, все приведенные в главе приборы имеют широкие возможности по автоматизации их применения и документированию результатов проводимого контроля. Исследования и научные разработки, составляющие основу данной работы, получены с целью применения их результатов с уже эксплуатирующийся средствами НК и новыми разработками автора. Программная реализация разработок в области выявления образов дефектов позволяет применять их не только с разработанными системами, а также и при использовании ПК. Приборы, установки и системы охватывают следующие области применения:
контроль сортового, трубного и листового металлопроката в процессе производства и изделий из него в течении всего срока эксплуатации;
контроль оборудования нефте-газового комплекса и поверхности действующих продуктопроводов;
контроль сварных соединений;
контроль деталей и узлов локомотивного и подвижного железнодорожного составов;
контроль деталей и узлов авто- и машиностроения;
периодический контроль узлов и деталей подъемных механизмов и сосудов под давлением;
контроль механических и электромагнитных свойств изделий из ферромагнитных сталей и сплавов;
определение остаточного ресурса металлопроката.
Первым разработкой 1998г. стал вихретоковый дефектоскоп ВД-12НФМ, предназначенный для решения задач по контролю деталей и узлов локомотивного и подвижного железнодорожного составов. Выпуск данного типа дефектоскопа не остановлен и на сегодняшний день: произведено 825 приборов этого типа. Прибор зарегистрирован в Реестре Системы добровольной сертификации средств измерений – сертификат №10.000.0381 от 19.02.2020г. Дефектоскоп имеет цифровую и аналоговую индикацию результатов проводимого контроля и работает на фиксированной частоте 70КГц. Следующим поколением портативного вихретокового дефектоскопа стал ВД-12НФП. Выпущено 570 приборов данного типа разных модификаций. Дефектоскоп отличается от - 181 предшественника микропроцессорной системой сбора обработки и индикации. Появление у него IRDA, а затем и Bluetooth интерфейса позволило использовать их для автоматизированного контроля и документирования результатов диагностики. ВД-12НФП зарегистрирован в Реестре Системы добровольной сертификации средств измерений (сертификат под № 090000328); в отраслевом Реестре средств измерений допущенных к применению на железнодорожном транспорте в разделе "Средства диагностики общеотраслевого применения" (свидетельство о регистрации № МТ004.2006). Дефектоскоп широко используется при неразрушающем контроле деталей и узлов подвижного состава в соответствии с РД32.150-2006 "Вихретоковый метод неразрушающий контроля деталей вагонов", в условиях депо и ремонтных предприятий ОАО «РЖД»; в ОАО «Газпром» при обследовании поверхности действующих магистральных трубопроводов; в ОАО «ВМЗ» на этапе инспекции готовой продукции – железнодорожных колёс из вакуумированной стали собственного производства, а также в других отраслях промышленности. Схемотехнические решения, использованные в данном дефектоскопе, защищены патентом на изобретение №2312333 и патентом на полезную модель №63068. На основе ВД-12НФП и ВД-12НФМ созданы магнитно-вихретоковые установки, использующиеся БашГУ, Уфа для проведения исследований коррозионных и стресс-коррозионных поражений магистральных продуктопроводов.
Вихретоковый дефектоскоп ВД-90НП предназначен для обнаружение поверхностных и подповерхностных трещин в деталях из ферромагнитных и немагнитных материалах. Предназначен для работы в полевых условиях, в т.ч. и при отрицательных температурах на магистральных трубопроводах, в цеховых условиях различных отраслей промышленности. Дефектоскоп позволяет передавать в режиме реального времени данные от дефекта, используя радиоканал, выявлять дефекты типа трещина и питтинговая коррозия на обеих сторонах объекта контроля при одностороннем доступе (рис.5.1). Схемотехнические решения, использованные в данном дефектоскопе, защищены патентом на полезную модель №87527. Вихретоковый дефектоскоп ВД-90НП зарегистрирован в Реестре Системы добровольной сертификации средств измерений – сертификат под № 080000305. В приборе реализована возможность автоматизации контроля, 100% документирование результатов контроля.
Кроме классических накладных ВТП к ВД-90НП разработан магнитно-вихретоковый преобразователь для выявления внутренних дефектов типа трещина и коррозия при контроле сварных соединений, труб, баков, деталей из листового проката и других протяженных объектов.
Схемотехнические решения, использованные в данном дефектоскопе, защищены патентом на полезную модель № 87527. Система позволяет контролировать сварной шов и тело трубы в потоке производства, производить 100% документирование результатов контроля на персональном компьютере от одной или нескольких систем одновременно, производить цветовую маркировку дефектных участков и звуковое извещение о браке на линии. Основываясь на результатах данной диссертационной работы, в ВД-92П реализована корректировка выходных сигналов с учетом влияния магнитных характеристик сварного шва и ЗТВ. В настоящее время эксплуатируются две системы контроля электросварных труб в состав которых входит ВД-92П.
Для проведения вихретокового контроля был разработан ряд приборов. ВД-41П -высокопроизводительный автоматизированный дефектоскоп для неразрушающего контроля труб, проката, проволоки, изделий из металлопроката в процессе производства и входном контроле. Применяется для широкой номенклатуры диаметров и марок материалов (ферромагнитные и нержавеющие стали, цветные и тугоплавкие металлы и сплавы). На основе блока вихретокового дефектоскопа выпускается ряд систем вихретокового контроля:
- Автоматизированная система вихретоковой дефектоскопии магнитных материалов в линиях по их производству (прокатных станах, линиях гибки, линиях сварки, линях формовки и т.д.), входной контроль продукции (автоматизированные складские и сортировочные линии), ремонтные предприятия. В состав входят вихретоковый дефектоскоп ВД-41П, намагничивающая система (полюсная, соленоид), демагнитизатор, вихретоковые зонды, накладные секционные преобразователи, проходные преобразователи, экранированные вихретоковые преобразователи, щелевые вихретоковые преобразователи, периферийные устройства и т.д.
- Автоматизированная система вихретоковой дефектоскопии немагнитных материалов в линиях по их производству (контроль проката труб, прутков, профилей различного сечения и формы). Для проведения контроля не требуются намагничивающие и размагничивающие модули.
- Программируемая роботизированная система для проведения неразрушающего контроля изделий сложной форы. В состав системы входит программируемый робот манипулятор со сменными зондами, дефектоскоп, промышленный компьютер.
- 15 канальный двухпараметрический вихретоковый дефектоскоп ВД-91НМ.
Дефектоскоп работает совместно с промышленным, либо персональным ЭВМ по шине
USB 2.0. Дефектоскоп подходит как для ручного контроля, так и автоматизированного. ВД 91НМ подключенный к вихретоковому дефектоскопу ВД-41П позволяет проводить контроль параллельно основному каналу вихретокового дефектоскопа ВД-41П.
Похожие диссертации на Развитие методов и средств вихретокового и магнитного контроля металлопроката для оценки его остаточного ресурса
