Введение к работе
Актуальность проблемы. Магнитные и электромагнитные методы неразрушающего контроля (НК) находят широкое применение в различных отраслях промышленности, успешно конкурируя с ультразвуковыми и радиационными методами благодаря возможности бесконтактного съема информации, высокой скорости контроля и безопасности в радиационном отношении.
Эти достоинства особенно важны в нынешней ситуации, когда остро стоит вопрос о сплошной автоматизации НК, а условия проведения НК зачастую далеки от идеальных (агрессивная среда, высокая температура контролируемой поверхности, вибрация, скорость движения изделия в потоке и т.д.).
Применение в этих условиях миниатюрных одиночных датчиков с точной механической системой сканирования нереально. В связи с этим возникла идея создания систем с электронным сканированием, содержащих множество одиночных магниточувствительных элементов (МЭ), из которых формируются линейки и матрицы. Такие системы получили название "матричные преобразователи" (МП). Преимущества их очевидны, однако, несмотря на большое число публикаций проблема создания магнитных дефектоскопов с матричными преобразователями удовлетворительного решения до сих пор не получила. Разработано большое количество "гипотетических" МП, реально существуют единичные опытные образцы, и то их характеристики далеки от промышленных требований.
Анализ возникшей ситуации указывает, по крайней мере, на две причины, препятствующие промышленному применению матричных преобразователей. Это, во-первых, сложная технология их изготовления, основанная на применении ручного труда и связанная с ней сложность получения преобразователей с идентичными характеристиками (как в пределах самой матрицы, так и между матрицами), а, во-вторых, стремление разработчиков создавать матричные сенсоры на старой элементной базе - на основе известных ранее МЭ - с использованием традиционных для цифровой техники решений, без учета специфики магнитной дефектоскопии.
Для выявления микротрещин требуются МЭ с микронными размерами, высокой чувствительностью (сотые и тысячные доли А/см), широким диапазоном измерений (сотни А/см), высокой эксплуатационной надежностью и термостабильностью, а также стойкостью к рентгеновскому и радиоактивному излучениям. Преобразователей магнитного поля, в полной мере отвечающих перечисленным требованиям, в настоящее время не существует, а, следовательно, нет и соответствующих матричных преобразователей.
Все это тормозит дальнейшее развитие процесса автоматизации методов магнитной дефектоскопии. Устранение указанных недостатков требует разработки новых физических принципов измерения магнитного поля, которые позволили бы создавать твердотельные матричные преобразователи (сенсоры) с большим количеством МЭ субмикронных размеров на базе современных достижений полупроводниковой и магнитной микроэлектроники.
Актуальность работ в указанном направлении очевидна в связи с необходимостью решения важных научно-технических задач - организации высокоэффективного скоростного контроля нефтегазопроводных труб, а также насосно-компрессорных труб (НКТ), применяемых в нефтедобывающей промышленности, в технологическом потоке завода - изготовителя и в процессе эксплуатации.
До сих пор отечественной промышленностью не налажен выпуск приборов для магнитной дефектоскопии всего тела трубы, включая сварной шов и околошовную зону (в случае НК электросварных труб), обеспечивающих достаточную надежность, достоверность и информативность НК, а также высокие чувствительность и разрешающую способность, удовлетворяющие современным требованиям - стандартам ASTM, API, DIN, которые признаны во всем мире. Применение матричных преобразователей типа интеллектуальных сенсоров (ИС) делают эту проблему принципиально разрешимой.
Другой важной задачей машиностроения, металлургии, трубопроводного транспорта энергетики и других отраслей промышленности является оценка фактического состояния различных деталей, узлов и конструкций из ферромагнитных материалов, а также сварных соеди нений на основе расчета остаточного ресурса работоспособности поврежденных мест. Прове дение таких расчетов требует знания количественных характеристик геометрических парамет ров дефектов, что предполагает применение компьютерной томографии как метода диагноста ки внутренней структуры объектов контроля по измеренному над его поверхностью простран ственному распределению магнитного поля (то есть магнитной томографии).
Необходимо отметить, что при практической реализации концепции магнитной томе графиии есть серьезная опасность того, что даже удачные теоретические решения обратно задачи (03) магнитной дефектоскопии не смогут быть применены на практике из-за недостг точно высокой точности измерений. Иными словами, для исследования полей микродефектс необходимы МЭ микроминиатюрных размеров. Современные методы нанотехнологии мог} позволить изготовить матричные преобразователи с МЭ субмикронных размеров, если предш жить соответствующие физические принципы.
В связи с вышеизложенным проблема синтеза матричных преобразователей высоко) разрешения является актуальной.
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является развитие ново-о научного направления - разработка новых физических принципов измерения напряженности [агнитного поля и теории магниточувствительных элементов, позволяющих изготавливать ме-одами интегральной технологии матричные преобразователи высокой разрешающей способ-'ости для создания систем магнитной микроскопии, томографии и диагностики, основанных на ірименении методов восстановления магнитных полей рассеяния, а также создание быстро-вйствующих компьютерных и автоматизированных систем для объемно-шовной магнитной кфектоскопии электросварных и горячекатаных газонефтепроводных и насосно-:омпрессорных труб в технологическом потоке и в процессе эксплуатации, имеющих важное іародно-хозяйственное значение.
Исходя из поставленной цели, в работе последовательно решались следующие задачи:
-
Изучение физики нестационарных процессов, происходящих в электрических цепях, «держащих нелинейную индуктивность, при ее помещении во внешнее магнитное поле, а так-ке процессов безгистерезисного перемагничивания тонкой ферромагнитной пленки попереч-іьім и продольным импульсными магнитными полями с целью создания новых физических гринцшюв их измерения.
-
Теоретическое и экспериментальное исследование работы магниточувствительных шементов, работающих на основе нестационарных процессов в цепях с нелинейной индуктив-юстью, феррозондовых тонкопленочных преобразователей с поперечным импульсным возбуждением, а также магниточувствительных преобразователей, основанных на явлении анизотропии магнетосопротивления в тонкой ферромагнитной пленке.
-
Теоретическое исследование влияния угловой и амплитудной дисперсии анизотропии в ферромагнитной пленке, температурного воздействия внешней среды, выделения тепла в обмотках возбуждения и собственных шумов на чувствительность преобразователей.
-
Разработка рекомендаций по проектированию и конструированию магниточувствительных элементов, а также принципов построения матричных преобразователей магнитного поля; оптимизация их параметров и оценка магнитного взаимовлияния ферроэлементов на погрешность измерений.
-
Синтез матричных и многоэлементных преобразователей высокого разрешения с применением методов интегральной технологии и создание на их основе однокристальных интеллектуальных сенсоров и компьютерной системы визуализации рельефа магнитного поля (магнитного микроскопа).
-
Анализ возможностей методов восстановления магнитного поля применительно к магнитной дефектоскопии, выбор методики восстановления, определение возможности количественной оценки параметров дефектов по экспериментально измеренному пространственному
распределению магнитных полей рассеяния, разработка новых принципов построения систеї магнитной микроскопии, томографии и диагностики с использованием матричных преобразс вателей высокого разрешения.
7. Создание быстродействующих автоматизированных установок для высокоскоростно объемно—шовной дефектоскопии электросварных газонефтепроводных труб, а также насосно компрессорных труб нефтяного сортамента в технологическом потоке и в процессе эксплуат: ции, отвечающих современным требованиям.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту. Результаты выполненных и следований являются новыми и на защиту выносятся:
-
Нетрадиционный подход к решению обратной задачи дефектоскопии, основаннь на представлении магнитных полей рассеяния в виде рада гармонических полиномов. Методиі определения геометрических размеров поверхностных дефектов по коэффициентам разложен] в рад скалярного потенциала магнитного поля. Методика восстановления магнитного по. внутри и за пределами матричного преобразователя, позволяющая значительно повысить е разрешающую способность. Анализ возможных принципов построения систем магнитной ми роскопии, томографии и диагностики с использованием матричных преобразователей высоко разрешения.
-
Принцип измерения и теория преобразователя магнитного поля, основанного на at лизе параметров переходных процессов, протекающих в электрических цепях, содержащ нелинейную индуктивность (катушка с ферромагнитным сердечником). Аналитические заі симости, аппроксимирующие передаточные функции магниточувствительных элементов с і нейно и экспоненциально возрастающим активным сопротивлением, а также преобразова' лей на основе колебательного контура с нелинейной индуктивностью.
-
Принцип измерения и теория тонкопленочного феррозондового преобразователя с і перечным импульсным возбуждением (ФПВ). Аналитические зависимости выходной Ъ, преобразователя от геометрических параметров и магнитных свойств магнитной пленки, а т же от величины внешнего (измеряемого) магнитного поля для случаев толстой И ТОНКОЙ ПЛі ки, учитывающие размагничивающий фактор и импульсный режим перемагничиван обеспечивающие возможность оптимизации параметров ФПВ при разработке матричных п образователей. Рекомендации по расширению динамического диапазона и схемы их реалі: ции.
-
Принцип измерения и теория тонкопленочного магниточувствительного злемеї основанного на явлении анизотропии магнетосопротивления в ферромагнитной пленке. Рас полевых зависимостей выходного сигнала преобразователя, позволивший установить, положение их экстремумов не зависит от величины и направления суммарного магнитного
и, действующего на пленочный элемент, при любом наклоне оси легкого намагничивания [ОЛН) относительно направления протекания тока. Разработанные на этой основе метод и устройство раздельного измерения двух компонент вектора напряженности магнитного поля в плоскости пленки одним и тем же МЭ.
-
Принцип синтеза структурных схем матричных преобразователей, визуализирующих магнитный рельеф, с использованием разработанных МЭ и различных типов устройств возбуждения и приема сигнала в сочетании с микропроцессорными устройствами и персональным компьютером. Методика расчета взаимовлияния ферроэлементов, образующих матрицу, алгоритмы коррекции передаточных функций МЭ и восстановления утерянной информации.
-
Изготовленные на основе предложенных рекомендаций различные типы многоэле-ментньгх преобразователей, а также изготовленные по интегральной технологии 256-элементный преобразователь и высокочувствительный интеллектуальный сенсор для магнитной дефектоскопии. Компьютерная система визуализации магнитных полей рассеяния (на основе матричного преобразователя) с пространственным разрешением 200 мкм.
7. Автоматизированные установки для НК качества шва электросварных спирально-шовных и прямошовных газонефтепроводных труб в технологическом потоке (всего около 30 установок НК). Компьютерная автоматизированная система магнитной дефектоскопии тела насосно—компрессорных труб нефтяного сортамента в технологическом потоке и в линиях по восстановлению труб, бывших в эксплуатации, автоматизированные системы для объемно-шовной дефектоскопии всего тела электросварных труб (включая шов и околошовную зону) в технологическом потоке, установка НК сварных соединений нефтяных бурильных труб в процессе эксплуатации и другие приборы НК ферромагнитных изделий и сварных соединений, в которых применены упомянутые выше матричные и многоэлементные преобразователи (в том числе интеллектуальный сенсор).
Новизна технических решений подтверждается 9 авторскими свидетельствами СССР и патентом РФ.
Научная и практическая значимость работы состоит в следующем:
Установлено сходство в постановке обратных задач магнитной дефектоскопии и гравиметрии, что позволило для получения количественных оценок параметров дефектов предложить новый нетрадиционный подход, основанный на представлении потенциала магнитного поля в виде ряда гармонических полиномов.
Показана перспективность методов восстановления магнитных полей рассеяния дефектов для создания систем магнитной микроскопии, томографии и диагностики с использованием матричных преобразователей интегрального исполнения.
На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработан! новые принципы измерения и теория одно- и двухкомпонентных тонкопленочных магнит< чувствительных элементов, основанных на различных физических явлениях, которые мог) быть синтезированы методами интегральной технологии.
Созданы принципы построения матричных преобразователей магнитного поля на тонки ферромагнитных пленках, и синтезирован 256-элементный однокристальный сенсор с уникалі ными метрологическими характеристиками, на основе которого изготовлено устройство визу; лизании магнитного рельефа от различных источников магнитного возмущения с наибольши пространственным разрешением 200 мкм (магнитный микроскоп).
Разработанные тонкопленочные МЭ применены для создания высокочувствительнь интеллектуальных сенсоров для магнитной дефектоскопии, характеристики которых наиболі полно удовлетворяют промышленным требованиям.
С помощью разработанных тонкопленочных матричных и многоэлементных преобраз вателей решена крупная прикладная проблема создания средств магнитной дефектоскопии вс го тела электросварных и горячекатаных нефтегазопроводных и насосно-компресорных тр> в том числе движущихся в технологическом потоке.
Созданные матричные преобразователи могут представлять интерес для других облает науки и техники, например, в исследованиях топографии поля от абрикосовских вихрей н высокотемпературными сверхпроводниками, визуализации доменной структуры и магнита текстуры на поверхности ферромагнитных тел, контроля полей записи на различных носител магнитной информации для вычислительной техники, магнитных считывающих устройс и т.д.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на:
7-ой Европейской конференции по неразрушающему контролю (Копенгаген, 199 14-ой Всемирной конференции по неразрушающему контролю (Нью-Дели, 1996); 14 Росо ской научно-технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика" (Моек 1995); 1-ой Международной конференции "Компьютерные методы и обратные задачи в нер рушающих методах контроля и диагностики" (Минск, 1995); 13-ой Российской науч технической конференции "Неразрушающие физические методы и средства контроля" (Сан Петербург, 1993); 12-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Неразрушающие і зические методы контроля" (Свердловск, 1990); Российской с международным участием к ференции "Неразрушающий контроль в науке и индустрии - 94" (Москва, 1994); 2-ой Наи нальной конференции по диагностике машин и сооружений (Варна, 1990); Межотраслевой учно-технической конференции "Контроль и диагностика общей техники" (Москва, 19: 11-ой Всесоюзной конференции "Неразрушающие физические методы и средства контре
Москва, 1987); XVI1 Уральской региональной конференции "Контроль технологий, изделий и жружающей среды физическими методами" (Екатеринбург, 1997).
Публикации. Материал диссертации опубликован в 50 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, где цана общая характеристика работы, 7 глав, выводов, списка цитируемой литературы и приложений, изложена на 400 страницах, содержит 35 таблиц, 176 рисунков, список использованной литературы включает 290 наименований.