Повышение достоверности дефектометрической оценки глубины близко расположенных поверхностных трещин электропотенциальным и вихретоковым методами Лисицина Ирина Олеговна

Содержание к диссертации

Введение

1. Теоретические исследования и разработки, направленные на дефектометрическую оценку глубины поверхностных трещин электропотенциальным и вихретоковым методами 11

1.1 Оценка возможностей измерения параметров поверхностных трещин вихретоковым и электропотенциальным методами 11

1.2 Дефектометрическая оценка глубины одиночных поверхностных трещин вихретоковым методом 14

1.3 Дефектометрическая оценка глубины одиночных поверхностных трещин электропотенциальным методом 27

1.4 Взаимодействие первичных преобразователей с близко расположенными поверхностными трещинами 31

1.5 Выводы 34

2. Исследование взаимодействия вихретокового преобразователя с дефектным участком, содержащим поверхностные трещины 36

2.1 Взаимодействие накладного вихретокового преобразователя с одиночной поверхностной трещиной 36

2.2 Взаимодействие накладного вихретокового преобразователя с дефектным участком, содержащим близко расположенные поверхностные трещины 40

2.3 Выводы 48

3. Исследование взаимодействия электропотенциального преобразователя с дефектым участком, содержащим близко расположенные поверхностные трещины 49

3.1 Сравнительное исследование выходных характеристик дефектометрических электропотенциальных преобразователей при взаимодействии с одиночными трещинами 49

3.2 Исследование основных закономерностей взаимодействия "прямоугольного" электропотенциального преобразователя с дефектным участком, содержащим близко расположенные поверхностные трещины 67

3.3 Расчет диаграмм для определения глубины двух трещин, расположенных в параллельных плоскостях 86

3.4 Выводы 105

4. Практическое применение выполненных исследований для дефектометрической оценки глубины близко расположенных поверхностных трещин 108

4.1 Разработка способа дефектометрической оценки глубины поверхностной трещины вихретоковым методом в зоне сетки трещин108

4.2 Практическая реализация дефектометрической оценки электропотенциальным методом глубины поверхностной трещины при влиянии соседней трещины 111

4.2.1 Разработка электропотенциального преобразователя для дефектометрической оценки глубины близко расположенных трещин 111

4.2.2 Разработка контрольных образцов с искусственными близко расположенными дефектами 123

4.2.3 Результаты измерений на контрольных образцах с использованием преобразователя ЭПП 5510 129

4.2.4 Оценка методической погрешности, связанной с плавным изменением глубины дефектов вдоль их длины, и сопоставление расчетных данных с экспериментальными 151

4.3 Выводы 156

Заключение 158

Список литературы 160

• Дефектометрическая оценка глубины одиночных поверхностных трещин вихретоковым методом
• Взаимодействие накладного вихретокового преобразователя с дефектным участком, содержащим близко расположенные поверхностные трещины
• Исследование основных закономерностей взаимодействия "прямоугольного" электропотенциального преобразователя с дефектным участком, содержащим близко расположенные поверхностные трещины
• Разработка электропотенциального преобразователя для дефектометрической оценки глубины близко расположенных трещин

Введение к работе

1.1. Актуальность.

Дефекты типа трещин наиболее опасны и относятся к одной из основных причин аварийного разрушения различных объектов ответственного назначения. Степень опасности поверхностных трещин в наибольшей степени зависит от их глубины. Для оценки технического состояния дефектного участка, определения необходимости его замены или ремонта требуется информация о глубине поверхностных трещин. В ряде практически важных случаев, дефекты развиваются в непосредственной близости друг от друга. Взаимное влияние соседних трещин приводит к дополнительной погрешности дефектометрической оценки их глубины, зависящей от параметров и взаимного расположения трещин. В настоящее время взаимное влияние соседних трещин при оценке их глубины исследовано недостаточно, что определяет актуальность выбранной темы диссертации.

1.2. Состояние проблемы.

Для измерения глубины одиночных поверхностных трещин, преимущественно, применяют вихретоковый и электропотенциальный методы. Вопросами оценки глубины поверхностных трещин вихретоковым и электропотенциальным методами посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных исследователей. Вихретоковые сигналы и способы их обработки при взаимодействии вихретокового преобразователя (ВТП) с тремя параллельными трещинами, с точки зрения разрешающей способности, рассматривались в работах В.Ф. Мужицкого, А.Н. Бизюлева, А.Г. Ефимова, А.Е. Шубочкина. Исследований взаимодействия электропотенциальных преобразователей (ЭПП) с несколькими трещинами, по найденным источникам, не выявлено. Таким образом, известные исследования в области вихретокового и электропотенциального неразрушающего контроля (НК) не позволяют учесть влияние соседней трещины, искажающее результаты измерения е глубины. Это, в частности, снижает достоверность оценки глубины трещин стресс-коррозионного происхождения, находящихся, обычно, достаточно близко относительно друг друга.

1.3. Цель работы и задачи исследования.

Цель данной работы - повышение достоверности дефектометрической оценки глубины близко расположенных поверхностных трещин электропотенциальным и вихретоковым методами. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

Выбрать конструкцию электропотенциального преобразователя, наиболее эффективного для оценки глубины поверхностной трещины при наличии близко расположенной соседней.

Провести сравнение выходных характеристик и погрешности измерения выбранного и традиционно используемого электропотенциальных преобразователей при измерении глубины трещин.

Исследовать влияние соседней трещины на выходные сигналы ВТП и выбранного ЭПП при их взаимодействии с основной трещиной.

На основе выполненных исследований, разработать способы повышения достоверности оценки вихретоковым методом глубины поверхностной трещины при наличии влияния соседней трещины.

На основе выполненных исследований, дать рекомендации по выбору пара-

метров ЭПП, последовательности измерений и обработки информации для измерения глубины поверхностных трещин электропотенциальным методом с учетом влияния соседней трещины. Разработать контрольные образцы, обеспечивающие возможность регистрации сигналов ЭПП при одновременном взаимодействии с основной и соседней трещинами с различным сочетанием их параметров и при различном взаимном положении.

1.4. Методы исследования:

Для теоретических исследований применялись аналитические методы решения полевых задач электростатики и компьютерное моделирования на основе метода конечных элементов. Экспериментальные исследования проводились с помощью сертифицированных электропотенциального измерителя глубины трещин «ЗОНД ИГТ-98» и вихретокового дефектоскопа-дефектомера «ЗОНД ВД-96», а также образцов с искусственными дефектами в виде прорезей, выполненных электроэрозионным методом.

1.5. Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе компьютерного моделирования создаваемых накладным ВТП вихревых токов в зоне поверхностной трещины установлены новые закономерности, важные для создания более эффективных систем дефектометрической оценки.

2. Получены годографы вихретокового сигнала при взаимодействии накладного ВТП с двумя близко расположенными поверхностными трещинами при вариации их глубин и расстояния между ними. Показана возможность подавления амплитудно-фазовым способом влияния соседней трещины, расположенной параллельно основной, при вихретоковой оценке ее глубины.

3. Проведено сравнение зависимостей выходного сигнала при вариации параметров трещин двух типов ЭПП: традиционно используемого «линейного» - с размещением электродов на общей линии и выбранного «прямоугольного» - с размещением электродов в углах прямоугольника, более эффективного для измерения в зоне сетки трещин. Установлен и объяснен тот факт, что «прямоугольный» ЭПП при сопоставимых расстояниях между электродами с «линейным» ЭПП имеет существенно меньшее выходное напряжение U₀ на бездефектном участке и сопоставимую величину напряжения U_r на дефектном.

4. Получены новые зависимости электропотенциального сигнала «прямоугольного» ЭПП при различном сочетании параметров двух соседних трещин, лежащих в общей плоскости и находящихся в двух параллельных плоскостях. Зависимости получены при вариации параметров ЭПП и установлены рациональные значения его межэлектродных расстояний.

5. Разработан способ измерения глубины двух близко расположенных трещин электропотенциальным методом, позволяющий уменьшить погрешность, вносимую под влиянием соседней трещины, от 30-50% до 5-10%.

1.6. Практическая ценность работы заключается в том, что:

1. Предложен, основанный на применении диафрагмы, способ повышения линейности градуировочной характеристики накладного ВТП, взаимодействующего с поверхностной трещиной. Определены рациональные размеры диафрагмы и режим контроля.

2. Разработан 6-ти электродный «прямоугольный» ЭПП 5x5x10, для измерения глубины поверхностных трещин в широком диапазоне изменения их глубины.

3. Предложен алгоритм измерения глубины двух соседних поверхностных трещин, расположенных в параллельных плоскостях, на основе предварительно рассчитанных зависимостей.

4. Для реализации предложенного алгоритма измерения рассчитаны зависимости изменения электропотенциального сигнала преобразователя ЭПП 5x5x10 при вариации параметров соседних трещин и расстояния между ними.

5. Разработаны и изготовлены контрольные образцы с различным сочетанием параметров близко расположенных поверхностных трещин. Изменение глубины дефектов вдоль их длины происходит плавно, по линейному закону.

6. Для разработанных образцов проведена оценка погрешности, связанной с заменой фиксированной глубины дефектов на плавно изменяющуюся с углом наклона . Показано, что она не превышает 2% при угле наклона =5,7.

1.7. Реализация и внедрение результатов работы:

1. Разработанный способ оценки глубины трещин с применением диафрагмы и способ подавления влияния соседней трещины амплитудно - фазовым способом реализованы с помощью вихретокового дефектоскопа-дефектомера «ЗОНД ВД-96» применительно к задаче оценки глубины трещин вспецизделиях на предприятии НПО «Дельта».

2. Разработанный 6-ти электродный ЭПП 5x5x10, рассчитанные диаграммы сигналов и алгоритм измерения глубины двух соседних поверхностных трещин, расположенных в параллельных плоскостях, использованы для измерения глубины трещин стресс-коррозионного происхождения в магистральных газопроводах на предприятии ООО «АЗ Инжиниринг». Измерения проводились с использованием электронного блока измерителя глубины трещин «ЗОНД ИГТ-98».

1.8. Апробация работы.

Основные результаты работы доложены на III Международной Уральской
научно-практической конференции «Обеспечение надежности тепломеханического
оборудования.Техническое диагностирование и экспертиза промышленной безопас
ности», г. Челябинск, 02 - 04 декабря 2015 г., Международной научно-технической
конференции «Информатика и технологии.

Инновационныетехнологиивпромышленностииинформатике», Москва 2017, The second international conference on computational mathematics and engineering sciences (CMES-2017), Istanbul, 2017.

1.9. Публикации.

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 3 - в журналах из перечня ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук, и 1 патент РФ на изобретение. Список работ приведен в автореферате.

1.9. Личный вклад автора.

Личный вклад автора состоит в анализе современного уровня в выбранном направлении исследования, разработке расчетных моделей, проведении расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, разработке способов измерения

глубины трещин, конструкции контрольных образцов, анализе погрешности измерений.

1.10. Структура и объем диссертации.

Дефектометрическая оценка глубины одиночных поверхностных трещин вихретоковым методом

В теорию и практику вихретоковой дефектоскопии и дефектометрии существенный вклад внесли Беда П.И. [11,12], Гончаров Б.В. [17], Дорофеев А.Л. [19-21], Ефимов А.Г. [22-30, 45,69,118], Зацепин Н.Н. [34-35], Клюев В.В. [39], Сухоруков В.В. [58-59], Мужицкий В.Ф. [42-51, 85, 117-118], Учанин В.Н.[141-144], Федосенко Ю.К. [64-66], Шкатов П.Н.[66, 79-83, 129-130], Шу-бочкин А.Е. [46, 84-85, 118], Dodd C.V [97-98], Burrows M.L. [92], Ф.Ферстер [101-106] и многие другие отечественные и зарубежные ученые. На основе их работ определены конструкции эффективных для решения различных задач дефектоскопии ВТП, установлены закономерности их взаимодействия с дефектами, разработаны способы и алгоритмы выделения информативных сигналов от дефектов на фоне шумов.

В большей части современных средств вихретокового контроля используются амплитудно-фазовый и фазовый способы получения информации [66]. Фазовый способ менее чувствителен к отклонениям параметров ВТП и вариации рабочего зазора. Один из принципиальных недостатков фазового метода состоит в невозможности целенаправленной отстройки от соответствующего мешающего фактора. Для расширения возможностей фазового метода А.Г. Ефимовым разработан вариант фазового способа с нагрузкой измерительной катушки ВТП конденсатором, величина которого подбирается для подавления того или иного мешающего параметра [69].

При амплитудно-фазовом способе отстройка от соответствующего мешающего фактора осуществляется путем регулировки фазы опорного напряжения [66].

Оптимальные конструкция ВТП, частота f возбуждающего тока и информативные параметры выходного сигнала для выявления дефекта и его де-фектометрической оценки могут быть различны. При выявлении дефекта требуется максимальное отношение "сигнал/помеха", обеспечение пороговой чувствительности к дефекту и производительность. При дефектометрической оценке глубины выявленной трещины на первый план выходят диапазон и погрешность измерения.

Диапазон измерения глубины трещины связан с неравномерностью распределения вихревого тока. С уменьшением частоты f равномерность распределения вихревого тока по глубине возрастает, что сопровождается увеличением диапазона измерения. Однако уменьшение f приводит к пропорциональному уменьшению абсолютной чувствительности. Таким образом, один из основных критериев выбора частоты – компромисс между абсолютной чувствительностью и верхней границей диапазона измерений.

Характерные зависимости амплитуды вносимого дефектом напряжения Uвн от глубины h дефекта для ряда значений частот f приведены на рис. 1.1– 1.2.

Зависимости получены в работе [41] для накладного ВТП с ферритовым сердечником диаметром 2 мм, размещенного над стальной пластиной с относительной магнитной проницаемостью = 100 и удельной электрической проводимостью = 4,6 МСм/м при рабочем зазоре h= 0,1 мм. Дефекты имели вид прямоугольного паза шириной 0,1 мм и длиной более 20 мм.

Анализ представленных зависимостей показывает, что для дефектов малой глубины, порядка 1 мм, чувствительность к глубине дефекта непрерывно растет с увеличением рабочей частоты. Однако с увеличением глубины дефекта наступает "насыщение" кривой, что приводит к уменьшению чувствительность к глубине дефекта.

Дефектометрическая оценка глубины дефекта становится невозможной, после того как приращения регистрируемого параметра вихретокового сигнала, связанные с изменением глубины дефекта, становятся сопоставимы с его изменениями под влиянием других факторов. При использовании традиционных средств вихретоковым методом удается получить надежную дефектометриче-скую оценку трещин глубиной до 3…5 мм [41].

Один из путей повышения достоверности дефектометрической оценки – уменьшение степени влияния мешающих факторов. К одним из наиболее сильно влияющих мешающих факторов относится вариация рабочего зазора. Изменения рабочего зазора могут происходить, например, из-за наличия покрытия или слоя грязи на поверхности металла и даже за счет изменения измерительного усилия. Для уменьшения степени влияния вариации рабочего зазора применялись следующие технические решения.

1) Применение средств стабилизации рабочего зазора за счет создания неизменного измерительного усилия[66].

Данный путь требует предварительной подготовки дефектного участка, так как наличие любых отложений между поверхностью рабочего торца ВТП и металлом объекта контроля приведут к неустранимому влиянию рабочего зазора.

2) Применение следящей системы, включающей измерение рабочего зазора и перемещение ВТП исполнительным механизмом осевого перемещения[66].

Данный способ весьма сложен и неприемлем для ручного контроля.

3) Коррекция результатов измерения параметров дефекта путем измерения рабочего зазора [66].

В соответствии с данным способом необходимо измерить суммарный вихретоковый сигнал U(h,z), вносимый дефектом глубиной h при рабочем зазора z. Затем отдельно измерить вихретоковый сигнал U(z), обусловленный влиянием только зазора z, вычислить разность сигналов U =U(h,z) - U(h). После этого выполняется коррекция U с учётом влияния измеренного зазора на чувствительность и определяется величина, определяемая глубиной дефекта h и не зависящая от величины рабочего зазора z.

Метод довольно сложен в реализации из-за существенной нелинейности зависимостей U(h,z), U(z) U от соответствующих параметров и, в силу этого, не получил широкого применения.

А.А. Хвостовым разработан способ измерения глубины поверхностных трещин, основанный на взаимной параллельности годографов, получаемых при изменении глубины дефекта для различных величин зазора на комплексной плоскости [68]. Для реализации разработанного способа в памяти прибора сохраняются значения сигнала, полученного при перемещении ВТП по нормали к контролируемой поверхности над бездефектным участком и над образцом с трещиной. Глубина трещины должна быть такой, чтобы ее дальнейшее изменение не влияло на регистрируемый вихретоковый сигнал.

В отличие от других методов, в частности, ультразвукового вихретоко-вый метод не позволяет получить сигнал, напрямую связанный с воздействием дефекта. В связи с этим, по мнению ряда исследователей [88, 89], основная область применения вихретокового метода – выявление дефектов, а не количественная оценка их параметров. Для количественной оценки параметров выявленных дефектов, используют градуировочную характеристику (зависимость вихретокового сигнала от оцениваемого параметра) вихретокового прибора, полученной с помощью контрольных образцов. Контрольные образцы, обычно, имеют вид фрагментов идентичных по форме и материалу контролируемому объекту: пластины, прутки, трубы, резьбовые соединения, галтели. На соответствующих участках образцов выполняются искусственные дефекты. Известно много способов выполнения искусственные дефектов: фрезерованием, путем механических или термических воздействий, приводящих к образованию усталостных или термических трещин, электроэррозией. Наиболее распространен метод электроэррозии, позволяющий выполнять искусственные дефекты в виде рисок прямоугольной формы с шириной 0,1…0,2 мм.

Один из наиболее полных серийно выпускаемых комплектов контрольных образцов «Комплект образцов искусственных дефектов и зазоров для вих-ретоковой дефектоскопии КОИДЗ-ВД» [2], разработанный и выпускаемый ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр». Комплект имеет широкий диапазон материалов, глубин дефектов, шероховатости, отрицательной и положительной кривизны поверхности.

При калибровке вихретокового прибора строят градуировочную характеристику с помощью образцов, имеющих различную глубину искусственных дефектов и, как правило, длину, значительно превышающую их глубину.

При этом реальная длина оцениваемых трещин не учитывается. Практика показывает, что игнорирование реальной длины приводит, тем не менее, к удовлетворительным результатам при оценке глубины трещин усталостного происхождения, что связано с, обычно, достаточно большим отношением их длины к глубине [147]. Хорошие результаты оценки глубины трещин, характерных для элементов высоконагруженного оборудования АЭС отмечаются в работах [110, 148]. Однако в данных работах отмечается, что вихретоковый метод не может оценить глубину трещины количественно, если трещина глубже определенной глубины искусственных трещин, использованных при калибровке.

Взаимодействие накладного вихретокового преобразователя с дефектным участком, содержащим близко расположенные поверхностные трещины

Вихретоковый метод позволяет с приемлемой для практики погрешностью оценить глубину одиночных, достаточно длинных поверхностных трещин [54, С. 498-502]. Достоверность дефектометрической оценки снижается при наличии близко расположенных соседних трещин. Развитие группы трещин на дефектном участке характерна, в частности, для магистральных газопроводов, где один из наиболее опасных типов разрушения происходит по механизму коррозионного растрескивания под напряжением (КРН) [36, 40, 90, 109].

Исследования топографии магнитного и электромагнитного полей, создаваемых группой трещин, опубликованы в работах [7, 31-33]. В этих работах, базирующихся на приближенных расчетных моделях, основной акцент сделан на определении условий, позволяющих раздельную регистрацию каждой из трещин.

Для теории и практики вихретокового контроля представляет интерес анализ влияния соседней трещины на вихретоковый сигнал накладного ВТП в зависимости от размеров каждой из трещин и их взаимного положения, а также определение возможности подавления влияния соседней трещины.

Расчетная геометрическая модель представлена на рис. 2.6. Здесь накладной ВТП с эквивалентным диаметром Dп размещен с эквивалентным зазором Z0 над центральной трещиной с глубиной h1. Эквивалентные параметры ВТП определяются здесь в соответствии с обычным подходом, когда реальная катушка индуктивности представляется витком малого сечения [54]. Параллельно центральной трещине, на расстоянии b12 от неё имеется боковая трещина с глубиной h2.Длина обеих трещин и толщина контролируемого участка настолько велики, что не влияют на вихретоковый сигнал.

Вносимое в ВТП напряжение рассчитывается для контура, совмещенного с витком, по которому протекает возбуждающий ток. Таким образом, результаты расчета справедливы как для параметрического ВТП, так и для трансформаторного ВТП с близко расположенными и идентичными возбуждающей и измерительной катушками, например, выполненными с бифилярной намоткой.

Исследования проводились методом конечных элементов (МКЭ) с применением программного пакета ANSYS. В данной программной реализации МКЭ успешно применялся для решения различных задач вихретокового контроля, в том числе и для вычисления вихретокового сигнала при взаимодействии накладного ВТП с трещинами[41, 69, 76 – 79, 82, 122,129].

Вид расчетной области после дискретизации представлен на рис. 2.7.

Выбранные параметры характерны для вихретокового контроля магистральных газопроводов при выявлении трещин, развивающихся по механизму КРН [36, 40, 90, 109].

Выполненные расчеты показали, что влияние боковой трещины на вих-ретоковый сигнал, обусловленный влиянием центральной трещины, начинает проявляться при расстоянии b12 между ними порядка Dп. Это иллюстрируется зависимостями, приведенными на рис. 2.8.

На рис. 2.8 представлены годографы U вн = U вн (h1,h2) при расстоянии между трещинами b12 = 6мм, что соответствует расстоянию равному Dп. Анализ годографов показывает, что при изменении глубины соседней трещины h2от 0 до 3 мм векторы приращений U вн, связанные с изменением глубины центральной и соседней трещин, ортогональны, а при изменении h2от 3 до 5 мм – их направления практически совпадают. При этом, начиная с глубины h1 = 1 мм, приращенияU вн, связанные с изменением глубины h2соседней трещины, почти не зависят от глубины h1.

Таким образом, с увеличением глубины h1 центральной трещины относительное влияние соседней трещины уменьшается. Например, для центральной трещины глубиной h1 = 1 мм влияние соседней трещины с глубиной 3…5 мм составляет 7 %, а для трещины глубиной h1 = 1 – уже 3 %. Однако влияние соседней трещины на амплитуду U вн много меньше, так как происходит суммирование ортогональных векторов сигнала от центральной и соседней трещин.

Следует отметить, что с увеличением глубины h2 соседней трещины угол между векторами приращения U вн под влиянием изменения b12 и глубины трещин растет, приближаясь к 90 при h2 = 5 мм.

С уменьшением расстояния b12 воздействие соседней трещины на вихре-токовый сигнал ожидаемо возрастает. Соответствующие годографы для b12 = 3 мм (соседняя трещина размещена на расстоянии 0,5Dп от центральной) приведены на рис. 2.9. При данной величине b12векторы приращений U вн, связанные с изменением глубины центральной и соседней трещин, ортогональны при изменении глубины соседней трещины h2 от 0 до1 мм, а при изменении h2 от 3 до 5 мм – их направления практически совпадают.

Из диаграмм видно, что при этом фаза U вн изменяется монотонно, а амплитуда проходит через минимум, возникающий при b12 4 мм.

Влияние глубин h1 и h2 трещин на амплитуду U вн показано на рис. 2.10. Из приведенных графиков видно, что изменения амплитуды U вн при изменении h2 для разных значений h1 не монотонны. Это связано с изменением фазы вносимого соседней трещиной напряжения по мере роста ее глубины h2. Соответствующие изменения фазы U вн при изменении глубин h1 и h2 трещин представлены на рис. 2.11. Из них видно, что при отсутствии соседней трещины фаза U вн практически не изменяется при вариации глубины h1 центральной трещины.

При появлении соседней трещины происходит, как бы, смещение годографа U вн = U вн(h1), что и приводит к изменению фазы U вн при вариации h1. Более подробно это показано на рис. 2.12 – 2.13, где представлены годографы U вн = U вн (h1,b12) при фиксированных значениях h2 , равных 1 мм и 5 мм, соответственно. Видно, что годографы изменения U вн при вариации b12 близки к прямым линиям.

Полученные зависимости показывают на возможность эффективной отстройки от влияния соседней трещины амплитудно – фазовым способом [66]. Особенность взаимодействия ВТП с двумя параллельными трещинами заключается в следующем. При малой глубине h2 соседней трещины сдвиг фаз между векторами приращения U h2, обусловленного вариацией h2 и U b12, вызванного изменением b12, как следует из рис. 2.12, составляет величину порядка 60. Величина слабо изменяется при вариации b12. С увеличением глубины h2 соседней трещины и уменьшения расстояния b12 между трещинами от Dп до Dп /2 сдвиг фаз монотонно возрастает и, как видно из рис. 2.13, достигает 90 при h2 = 5 мм.

На данных диаграммах пунктиром показан годограф изменения U вн при перемещении центральной трещины глубиной) и h2 = 5 мм (рис. 2.13) на позицию соседней трещины с шагом перемещения 0,5 мм от 0 до 6 мм. При этом вторая (соседняя) трещина отсутствует. Как видно из диаграмм, фаза вносимого напряжения изменяется при этом по сложному закону.

Исследование основных закономерностей взаимодействия "прямоугольного" электропотенциального преобразователя с дефектным участком, содержащим близко расположенные поверхностные трещины

Выполненный анализ показывает целесообразность применения прямоугольного ЭПП для измерения глубины поверхностных трещин в зоне сетки трещин. Для определения основных закономерностей при взаимодействии прямоугольного ЭПП с поверхностными трещинами в зоне сетки трещин проводились расчетно-теоретические исследования. Принималось, что ЭПП одновременно взаимодействует с двумя близко расположенными трещинами, лежащими в одной или двух параллельных плоскостях. Реально, в зоне сетки трещин возможно взаимодействие и с большим количеством трещин. Однако рассмотрение, на начальном этапе, задачи с двумя близко расположенными трещинами позволяет оценить степень влияния их близости на результаты измерения, что совершенно необходимо при рассмотрении вариантов с любым числом трещин.

На рис. 3.24. представлена геометрическая расчетная модель с двумя трещинами длиной 1, 2 и глубиной h1, h2, соответственно, расположенными в параллельных плоскостях, ортогональных к поверхности контролируемого объекта. Контролируемый объект имеет толщину в 10 раз превышающую величину RTP. Металл контролируемого объекта принимается однородным и изотропным.

Исследования выполнялись методом конечных элементов (МКЭ) и включали расчет зависимостей вносимого относительного напряжения при вариации как параметров обеих трещин и их взаимного расположения, так и вариации параметров ЭПП. Все геометрические размеры, как и в ранее принятых расчетах, нормировались по величине Rp, а вносимое напряжение по напряжению на бездефектном участке.

Характер взаимодействия прямоугольного ЭПП с трещинами в значительной степени зависит от величины R TP. При этом на соответствующие зависимости одновременно влияют и расстояние b 12 между трещинами и их глубины.

Соответствующие зависимости напряжения, вносимого двумя трещинами равной глубины h 1 = h 2 = h с длиной 1 = 2 = 20, расположенных на расстоянии b 12 друг от друга, в функции U (R TP, h ) при разных значениях h приведены на рис. 3.25 – 3.30. Представленные графики показывают, что при изменении R TP вносимое напряжение U = U (R TP, h ) имеет экстремум при R TP = 3…3,5. Экстремум более четко проявляется с увеличением глубины h трещин и уменьшением расстояния b 12 между трещинами. С увеличением b 12 график U (R TP, h ) становится все более пологим при R TP 3 и при b 12 (для одиночной трещины) происходит стабилизация величины U при R TP 3,5.

Таким образом, с точки зрения большей относительной чувствительности к глубине трещины целесообразно выбирать R TP = 3…3,5. Однако увеличение R TP сопровождается существенным уменьшением абсолютной чувствительности. Компромиссное решение – выбор R TP = 1…2. При этом величина R TP= 1 используется для трещин малой глубины, где h 0,5. Здесь выигрыш по относительной чувствительности при увеличении R TP практически отсут ствует, а абсолютная чувствительность снижается существенно. При h 0,5 с увеличением AR ТР до 2 относительная чувствительность заметно возрастает, а затем, при дальнейшем увеличении AR ТР, ее рост замедляется. При этом за счет роста величины U абсолютной чувствительности хватает для надежной регистрации сигнала.

Интересно отметить, что степень влияния Ъ 12 на вносимое напряжение U изменяется в зависимости AR ТР и h . Как следует из приведенных на рис. 3.31 - 3.35 зависимостей U = U (AR TP, b\2) для каждой из глубин h имеется величина AR ТР при которой влияние соседней трещины слабо зависит от вари ации Ъ\2. При этом с увеличением Л указанная величина AR\P монотонно растет. На рис. 3.36 - 3.40 представлены зависимости процентного изменения напряжения, вносимого за счет влияния соседней трещины AU \2,% = МЦп- U\) I Ui] 100 при h = h2 = и A = t2 = 20 в функции AR\P . Здесь Ul2 и Ux - напряжения, вносимые при взаимодействии ЭПП с двумя трещинами и одной трещиной, соответственно. Зависимости даны для разных значений Ъ\2 при фиксированных значениях h = 0,2 … 1,0. Из приведенных на рис. 3.36 - 3.40 зависимостей видно, что при определенном значении AR ТР величина изменяет знак, переходя через 0. При этом большим значениям Ъ\2 и h соответствуют большие значения AR\P перехода через 0.

Влияние соседней трещины, расположенной в той же плоскости, что и основная трещина, исследовалось в соответствии с расчетной геометрической моделью, представленной на рис. 3.41. Здесь прямоугольный ЭПП размещен симметрично относительно основной трещины с глубиной h1 и длиной 1 . Соседняя трещина глубиной h2 и длиной 2 находится на расстоянии 12 от нее. Обе трещины имеют прямоугольную форму и расположены в общей плоскости ортогональной поверхности контролируемого объекта из однородного изотропного металла. Толщина контролируемого объекта в 10 раз превышает величину RTP. Соответствующие расчеты также проводились МКЭ.

На рис. 3.42 представлены зависимости напряжения U = U (h , 12), вносимого двумя трещинами с равной глубиной h1 = h2 и длиной 1 = 2 = 1 при R TP=1 для различных значений 12. Из приведенных зависимостей вид но, что влияние соседней трещины возрастает с увеличением глубины h и уменьшением расстояния 12 между трещинами. Так как изменения U наблюдаются в области существенно нелинейной зависимости U от h необходимо оценить соответствующую погрешность измерения h при вариации параметров трещин и расстояния между ними. На рис. 3.43, 3.45, 3.47 и 3.49 приведены зависимости погрешности h измерения глубины трещины за счет влияния второй трещины при R TP=1, h2 = h1 для различных значений 12 в функции глубины h . От рисунка к рисунку изменяется длина трещин, принимающая значения 1 = 2 = 1,2,5 и 7, соответственно. На рис. 3.44, 3.46, 3.48 и 3.50 приведена относительная погрешность h , % измерения глубины трещины за счет влияния второй трещины при R TP=1 и h2 = h1 для различных значений 12 в функции глубины h . Здесь также от рисунка к рисунку изменяется длина трещин, принимающая значения 1 = 2 = 1, 2, 5 и 7, соответственно.

Как и следовало ожидать, влияние соседней трещины больше для трещин малой длины и возрастает с уменьшением расстояния 12 между ними и увеличением глубины трещин. Примем за существенное влияние соседней трещины вносимую ей погрешность измерения более 10%. Тогда, из рис. 3.54 следует, что для трещин длиной 1 = 1 погрешность более 10% возникает при h1 = h2 0,45 и 12 0,4. В тоже время, из рис. 3.50 видно, что для трещин длиной 1 = 7 погрешность более 10% возникает при h1 = h2 3,5 и 12 0,2.

Следовательно, влияние соседних трещин, расположенных в той же плоскости, что и основная оказывает существенно меньшее влияние на регистрируемый сигнал, чем трещин, расположенных в параллельной ей плоскости. Таким образом, необходимо в первую очередь учитывать влияние последних.

Вместе с тем, полученные зависимости позволяют оценить погрешность вносимую соседними трещинами, лежащими в той же плоскости, что и основная. Подобные трещины характерны для их развития по механизму коррозии под напряжением, когда соседние короткие трещины по мере роста увеличивают свою длину и объединяются. Логично предположить, что соседние трещины имеют близкие параметры, т.е. примерно одинаковую глубину и длину. Пользуясь приведенными на рис. 3.43 – 3.50 зависимостями, можно оценить степень влияния соседней трещины и скорректировать результат измерения глубины трещины с учетом влияния соседней.

Интересно отметить, что величина U не изменится, если токовые и потенциальные электроды поменять местами. Это следует из принципа взаимности и было подтверждено выполненными расчетами, а затем и экспериментально.

Разработка электропотенциального преобразователя для дефектометрической оценки глубины близко расположенных трещин

Выполненные исследования показали, целесообразность применения для измерения глубины близко расположенных поверхностных трещин ЭПП с размещением электродов в вершинах прямоугольника. При этом в зависимости от диапазона измерения глубины трещин необходимо изменять расстояние RТП между парами токовых и электропотенциальных электродов. Другая возможность – увеличение расстояния между токовыми и/или потенциальными электродами приводит к уменьшения области применения ЭПП, что связано с ограничениями RП b12 и RТ b12 при наличии соседних трещин, параллельных трещине с измеряемой глубиной.

ЭПП разрабатывался применительно к измерению глубины трещин в зоне сетки трещин, образующихся по механизму КРН в газопроводах. Информация о максимальной глубине трещин в зоне сетки трещин необходима при проведении ремонтных работ, выполняемых путем выборки металла ручной шлифовкой. При отсутствии достоверной информации о глубине трещин на дефектном участке приходится чередовать выборку металла и дефектоскопию. Это существенно снижает производительность и зачастую приводит к напрасным трудозатратам, если глубина дефектного слоя оказывается больше допустимого. По литературным данным [36] известно, что стресс-коррозионные трещины развиваются с почти постоянной скоростью (1…4 мм/год) до глубины, равной половине толщины Т стенки трубопровода. Затем происходит резкое увеличение скорости роста трещины и аварийное разрушение. Из-за отмеченной особенности при глубине трещины, превышающей половину толщины стенки трубопровода, соответствующий участок, в соответствии с существующими нормативами, не ремонтируется, а подлежит замене.

Будем исходить из максимальной толщины газопровода Т = 40 мм [36]. Тогда, представляет интерес измерение глубины трещин в диапазоне до 20 мм, так как дефектные участки газопровода с трещинами большей глубины независимо от ее величины подлежат замене [36].

В соответствии с исследованиями, изложенными в главе 2, для измерения во всем диапазоне достаточно использовать два прямоугольных ЭПП с межэлектродными расстояниями RПRТRТП равными 5510 мм и 5510 мм

Необходимость применения ЭПП с двумя межэлектродными растояниями RТП объясняется следующими причинами. Возникающие по механизму КРН трещины развиваются вдоль оси газопровода, имея небольшие отклонения от нее. Это иллюстрируется фотографиями типичных дефектных участков, приведенных на рис. 4.3 – 4.4.

При измерениях электроды ЭПП устанавливают по разные стороны от трещины. Таким образом увеличение расстояния RТП не притводит к ограничениям, накладываемым кривизной поверхности газопровода. Однако величина RТП должна быть меньше длины трещины. С другой стороны, для получения приемлемой чувствительности к глубине трещины необходимо увеличивать величину RТП по мере роста глубины трещины. Как правило, трещины малой длины имеют глубину меньшую, чем более длинные трещины. Таким образом, для решения поставленной задачи необходимо иметь ЭПП с различной величиной RТП.

Выполненные во второй главе исследования пооказали, что с увеличением межэлектродного расстояния RТП диапазон возможного измерения глубины трещин растет. Однако, с увеличением RТП существенно уменьшается напряжение U0, измеряемое на бездефектном участке.

Напряжение U0 необходимо для подавления влияния вариации электрофизических свойств металла путем нормировки напряжения UR, измеренного на дефектном участке. Для обеспечения надежно регистрируемой величины U0, уменьшающейся с увеличением RТП, можно увеличить ток I, пропускаемый через токовые электроды по контролируемому объекту. Однако это приведет к соответствущему увеличению габаритов и массы электронного блока, увеличит опасность прижогов в зонах контактирования токовых электродов.

Вместе с тем, величину U0 можно определить с достаточной точностью без увеличения тока. Для этого был разработан ЭПП с двумя парами потенциальных электродов, размещенных относительно токовых на разных расстояниях RТП1 = 5 мм и RТП2 = 10 мм (рис. 4.5).

Схема измерения прямоугольным электропотенциальным преобразователем с двумя парами потенциальных электродов P1, P2 и P3, P4 представлена на рис. 4.6

При измерениях напряжения UR на дефектном участке за информативное принимается либо напряжение UR1, снимаемое с пары потенциальных электродов P1, P2 либо напряжение UR2, снимаемое с пары потенциальных электродов P3, P4. Это зависит тот величины регистрируемых напряжений, после их нормировки. При этом для нормировки напряжения UR1 используется напряжение U01, измеренное на бездефектном участке между потенциальными электродами P1, P2, а для нормировки UR2 – напряжение U02, вычисленное через напряжение U01 следующим образом.

Напряжения U01 и U02, как было показано ранее, для объектов большой толщины Т, в несколько раз превышающей RТ, определяются формулами (4.1) и (4.2)

Тогда напряжение U02 можно вычислить, зная напряжение U01 и нормированные расстояния R ТП1 и R ТП2:

Для выбранных параметров ЭПП Д ТПі = 5/5 = 1, а Д ТП = Ю/5 = 2. Согласно формулы (4.3), при выбранных R ТП и Д ТП имеем:

При толщинах Т, сопоставимых с величиной RТ , отношение U01 и U02 зависит от величины Т. Соответствующие выражения могут быть получены методом зеркальных изображений [13]. Согласно этого метода влияние границ раздела "металл-воздух" можно заменить зеркальными изображениями источников относительно границ. Соответствующая расчетная модель с системой источников, размещенных в точках Т1, Т2, и их зеркальных изображений относительно границ раздела, размещенных на расстоянии 2Т друг относительно друга, представлена на рис. 4.7.

Для удобства построения изображений расчетная область предварительно отсимметрировани относительно оси Z. Для этого область занятая металлом (пластина толщиной Т) дополнена ее зеркальным изображением относительно плоскости X,Y. При этом значения тока, вводимого в точках Т1 и Т2 удвоены. Очевидно, что при таком преобразовании распределение потенциала в плоскости X,Y не изменится, так как ток симметрично распределяется по верхней (отраженной) и нижней (исходной) частям области.

Потенциал, создаваемый в точке P1 совокупностью источников T1, T2 и их изображений определяется формулой