Содержание к диссертации
Введение
1. Современные направления повышения эффективности вихретоковой дефектоскопии 9
1.1 Совершенствование вихретоковых преобразователей на основе современных технологий 9
1.2 Применение современных методов обработки информации 14
1.3 Комбинирование вихретокового метода с другими методами неразрушающего контроля 22
1.4 Возможность применения магнитной жидкости 28
1.5 Выводы 31
2. Исследование взаимодействия вихретоковых преобразователей с дефектами сплошности в немагнитных электропроводящих объектах при заполнении полости дефектов магнитной жидкостью 33
2.1 Обоснование комбинированного способа вихретокового контроля с применением магнитной жидкости 33
2.2 Выбор метода исследований и расчетных моделей 41
2.3 Расчет и анализ выходных сигналов вихретоковых преобразователей при взаимодействиии с дефектами, развивающимися со стороны сканируемой поверхности, при заполнении их полости магнитной жидкостью 46
2.4 Расчет и анализ выходных сигналов вихретоковых преобразователей при взаимодействиии с дефектами, развивающимися с тыльной стороны пластины 52
2.5 Экспериментальные исследования выходных сигналов вихретоковых преобразователей при взаимодействиии с дефектами при заполнении их полости магнитной жидкостью 76
2.6 Выводы 88
3. Исследование взаимодействия вихретоковых преобразователей с дефектами сплошности в полых немагнитных электропроводящих объектах сложной формы при заполнении их внутренней полости магнитной жидкостью 90
3.1 Выбор расчетных моделей 90
3.2 Расчет и анализ выходных сигналов вихретоковых преобразователей для полых объектов с дефектами типа трещин 97
3.3 Расчет и анализ выходных сигналов вихретоковых преобразователей для полых объектов с дефектами типа локального утонения стенки 105
3.4 Выводы 109
4. Перспективы применения вихретоковой дефектоскопии с испольлзованием магнитной жидкости для оценки технического состояния охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей 110
4.1 Современные методы и средства оценки технического состояния охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей 110
4.2 Вопросы практического применения исследуемого комбинированного метода для оценки технического состояния охлаждаемых лопаток авиационных газотурбинных двигателей 121
4.2.1 Очистка поверхности внутренней полости лопаток ГТД 121
4.2.2 Воздействие постоянным магнитным полем на МЖ в полости лопатки
125
4.2.3 Обеспечение необходимой абсолютной чувствительности 132
4.3 Выводы 132
5. Заключение 134
6. Список литературы 137
- Комбинирование вихретокового метода с другими методами неразрушающего контроля
- Выбор метода исследований и расчетных моделей
- Расчет и анализ выходных сигналов вихретоковых преобразователей для полых объектов с дефектами типа трещин
- Вопросы практического применения исследуемого комбинированного метода для оценки технического состояния охлаждаемых лопаток авиационных газотурбинных двигателей
Введение к работе
1.1. Актуальность темы исследования
Вихретоковая дефектоскопия основана на регистрации изменения реакции вихревых токов, перераспределяемых дефектом сплошности. В ряде случаев эффект перераспределения вихревых токов проявляется достаточно слабо, например, при малой глубине дефекта или его развитии со стороны тыльной относительно сканируемой поверхности. Это препятствует надежному выявлению дефекта. Дополнительные проблемы возникают при необходимости выявления вихретоко-вым методом дефектов на сложнопрофильных поверхностях, например, в зоне выступов, канавок, отверстий и т.п. из-за возникающих при сканировании под их влиянием изменений вихретокового сигнала. В связи с этим исследования, направленные на повышение абсолютной и селективной чувствительности вихретокового контроля к дефектам сплошности путем заполнения полости дефектов магнитной жидкостью весьма актуальны.
1.2. Степень разработанности темы исследования
Вихретоковый метод неразрушающего контроля, обладая такими преимуществами как бесконтактность и возможность дефектометрической оценки выявляемых дефектов, имеет и ряд ограничений, препятствующих его применению. К ним относятся существенное уменьшение чувствительности при уменьшении глубины поверхностного дефекта, низкая чувствительность к дефектам, развивающимся с тыльной стороны пластин, влияние эффекта формы при дефектоскопии объектов с нерегулярной поверхностью. Для повышения чувствительности к мелким поверхностным дефектам в настоящее время идут по пути повышения частоты тока возбуждения вихретоко-вых преобразователей (ВТП) и уменьшения размеров его рабочего торца. Это приводит к существенному усложнению электронного блока, уменьшению производительности контроля и резкому увеличению влияния вариации рабочего зазора между торцом ВТП и сканируемой поверхностью. Для выявления дефектов, развивающихся с тыльной стороны поверхности объекта контроля (ОК), идут по пути увеличения размеров рабочего торца ВТП и уменьшения частоты возбуждающего тока, обеспечивая необходимую глубину проникновения вихревых токов. Это приводит к существенному уменьшению локальности контроля и затрудняет сканирование в зонах с изменяющейся кривизной поверхности. При необходимости выявления дефектов на сложнопрофильных поверхностях осуществляют координатную привязку регистрируемых сигналов с последующим выделением изменений сигналов от дефектов на фоне их изменения из-за эффекта формы. При этом требуются сложные сканирующие системы и большой объем подготовительной работы для создания соответствующих алгоритмов обработки регистрируемых сигналов. Магнитная жидкость применялась в капиллярном, ультразвуковом и магнитном методах неразрушающего контроля. В капиллярном и ультразвуковом методах использовалась возможность силового воздействия на магнитную жидкость магнитным полем. Магнитным методом измерялась пористость диэлектрических материалов, предварительно пропитанного магнитной жидкостью.
1.3. Цели и задачи
Цель данной работы - повышение эффективности вихретоковой дефектоскопии немагнитных объектов со сложной формой поверхности.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать способы вихретоковой дефектоскопии с повышенной абсолютной и селективной чувствительностью с использованием магнитной жидкости для заполнения полости дефектов;
разработать математические модели, для исследования основных закономерностей взаимодействия ВТП с дефектами сплошности, полость которых заполнена магнитной жидкостью;
исследовать основные закономерности взаимодействия вихретоковых преобразователей с немагнитными электропроводящими объектами, содержащими дефекты сплошности с полостями, заполненными магнитной жидкостью;
исследовать процессы, улучшающие заполнение полости дефектов магнитной жидкостью;
определить перспективы вихретоковой дефектоскопии с применением магнитной жидкости для выявления дефектов, развивающихся со стороны внутренней полости охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей.
1.4. Научная новизна работы заключается в следующем:
разработаны способы вихретоковой дефектоскопии с использованием магнитной жидкости для заполнения полости дефектов;
проведено компьютерное моделирование взаимодействия ВТП с дефектами при заполнении их полости магнитной жидкостью;
исследованы основные закономерности взаимодействия вихретоковых преобразователей с немагнитными электропроводящими объектами, содержащими дефекты сплошности с полостями, заполненными магнитной жидкостью;
исследован процесс заполнения магнитной жидкостью полости дефектов при воздействии постоянным магнитным полем.
1.5. Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что:
определена чувствительность накладных ВТП к дефектам сплошности с заполненными магнитной жидкостью полостями, показано, что за счет применения магнитной жидкости чувствительность к мелким поверхностным дефектам возрастает в 5… 10 раз, а к дефектам, выходящим на тыльную относительно сканируемой поверхность - до 100 раз;
установлены зависимости между вихретоковым сигналом накладных ВТП и параметрами дефектов сплошности, заполненных магнитной жидкостью;
показано, что, в отличие от традиционной вихретоковой дефектоскопии, при заполнении полости дефекта магнитной жидкостью практически исключается влияние на вихретоковый сигнал вариации длины трещины, а изменение ширины трещины приводит к его пропорциональному и существенному изменению;
количественно определено влияние на вихретоковый сигнал вариации рабочего зазора, магнитной проницаемости магнитной жидкости и других факторов, отражающихся на результатах контроля;
установлено количественное соотношение между вихретоковыми сигналами, формируемыми под влиянием дефектов с магнитной жидкостью в их полости и сигналами, связанными с эффектом формы поверхности со стороны внутренней полости, заполненной магнитной жидкостью;
даны рекомендации по выбору вихретокового преобразователя и частоты его возбуждающего тока для дефектоскопии немагнитных электропроводящих объектов при заполнении полости дефектов магнитной жидкостью;
1.6. Методология и методы исследования:
Методология исследования заключалась в применении компьютерного моделирования, достоверность которого оценивалась проводимыми экспериментальными исследованиями. Для компьютерного моделирования применялся метод конечных элементов, реализуемый с помощью программного пакета ANSYS. Экспериментальные исследования проводились с помощью сертифицированной компьютеризированной вихретоковой системы «КОМВИС ЛМ». Искусственные дефекты в образцах создавались электроэрозионным способом. Параметры дефектов измерялись по аттестованным методикам.
1.7. Основные положения, выносимые на защиту.
Предварительное заполнение полости дефектов сплошности магнитной жидкостью позволяет повысить чувствительность вихретокового контроля к дефектам и отстроиться от влияния эффекта формы при дефектоскопии сложнопрофильных объектов путем соответствующего выбора частоты возбуждающего тока.
Частота возбуждающего тока f определяется как компромисс между абсолютной чувствительностью, возрастающей с увеличением f, с одной стороны, и отношением «сигнал/помеха и относительной чувствительностью, возрастающими при уменьшении f, с другой стороны.
При выявлении дефектов со стороны внутренней полости целесообразно заполнять внутреннюю полость магнитной жидкостью под давлением, стимулировать заполнение полости дефектов магнитной жидкостью воздействием магнитного поля и сливать магнитную жидкость перед сканированием.
1.8. Степень достоверности и апробация результатов
Для обеспечения достоверности результатов исследований при теоретических расчетах численными методами применялись апробированные пакеты программ, решались тестовые и контрольные задачи с известным аналитическим решением. Для уменьшения погрешности измерений при экспериментальных исследованиях применялись поверенные и сертифицированные приборы. Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительным совпадение результатов численных расчетов и выполненных экспериментов.
Основные результаты работы доложены и обсуждены на XXII Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», г. Алушта, 2013 г., НТК «Актуальные проблемы приборостроения, информатики и социально - экономических наук», г. Москва, 2013 г., XV Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики», г. Москва, 2013 г., XX Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике, г. Москва, 2014 г.
1.9. Публикации.
По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 2 без соавторов, 4 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. Список работ приведен в автореферате.
1.10. Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа изложена на 157 страницах, иллюстрируется 78 рисунками и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 192 наименований.
Комбинирование вихретокового метода с другими методами неразрушающего контроля
Вихретоковый контроль успешно применяется для оценки технического состояния металла в различных отраслях промышленности. К преимуществам ВК относятся бесконтактнось, реализация без использования расходных материалов, высокая чувствительность к поверхностным трещинам, возможность контроля сложнопрофильных участков, например, резьбы с помощью специализированных вихретоковых преобразователей (ВТП).
Вместе с тем, потенциальные возможности ВК далеко не исчерпаны и он продолжает динамично развиваться. Можно отметить следующие пути развития вихретокового контроля: совершенствование ВТП за счет применения современных технологий изготовления чувствительных элементов, в том числе на основе новых физических принципов; применение современных высокоэффективных способов обработки вихре-токовых сигналов, получаемых при сканировании ОК; применение вихретокового метода в комбинации с другими методами контроля для расширения области применения и улучшения соответствующих метрологических характеристик.
При необходимости сканирования ОК с поверхностью больших размеров, например, магистральных трубопроводов, корпусных элементов, планера летательных аппаратов и других объектов все большее применение находят матричные ВТП. Обычно они состоят из линейки одиночных ВТП и соединяются через мультиплексор с блоком регистрации сигналов и управления. Это позволяет получить ширину полосы сканирования равную длине линейки ВТП. На рисунке 1.1 показаны матричные ВТП для сканирования плоских и цилиндрических ОК.
Для обеспечения приемлемой разрешающей способности матричных ВТП расстояние между его чувствительными элементами должно быть сопоставимо с шагом сканирования отдельным ВТП. Для снижения трудоемкости изготовления матричных ВТП в них используются катушки индуктивности, выполненные по технологии многослойных печатных плат. На рисунке 1.2 показаны катушки матричных ВТП, изготовленные по традиционной технологии и по технологии печатных плат.
Матричные ВТП по технологии печатных плат могут быть выполнены на гибкой подложке, что позволяет контролировать ОК со сложной формой поверхности. На рисунке 1.3 приведен многоэлементный матричный ВТП (Eddy Current Array Probe), предназначенный для дефектоскопии шестерней [153].
Весьма перспективно применение для регистрации полей вихревых токов магниторезисторов с гигантским магнитным сопротивлением (ГМС-сенсоров). При этом возбуждающее магнитное поле создается катушкой индуктивности, относящейся только к одному или сразу нескольким чувствительным элементам. Рисунок 1.3 – Матричный ВТП, выполненный по технологии печатных плат на гибкой подложке для контроля сложнопрофильной поверхности
Сущность эффекта ГМС иллюстрируется на рисунке 1.4 [153]. Здесь на непроводящей подложке находится многослойная тонкопленочная структура. Она состоит из слоя А, выполненного из электропроводящего немагнитного материала, и ферромагнитных слоев В. Их толщина составляет от нескольких десятков ангстрем до нескольких микрон. При отсутствии внешнего магнитного поля слои В намагничены встречно и сопротивление электрическому току С велико. В результате приложения внешнего поля в направлении D слои B приобретают однонаправленную намагниченность, сопротивление электрическому току С уменьшается [65].
ГМС сенсоры изготавливаются в количестве сотен штук на одной подложке за один технологический цикл, что способствует высокой повторяемости их характеристик. Еще одно достоинство ГМС сенсоров – их малые размеры. В работе [161] описан массив ГМС сенсоров, выполненных на одном кристалле. Массив состоит из 12 элементов, ширина каждого 5 мкм. Общая длина массива 80 мкм.
В качестве примера на рисунке 1.5 показана микрофотография ГМС сенсора AA002-02 производства NVE Corporation. Его размер составляет 350х1400 мкм. Сенсор имеет 4 элемента, которые включены по мостовой схеме, благодаря чему улучшается температурная стабильность сенсора. Для повышения чувствительности на сенсор наносят дополнительный слой из ферромагнитного материала, который концентрирует магнитное поле вблизи измерительных элементов. Этот же ферромагнитный слой экранирует опорные элементы, предотвращая изменение их сопротивления под воздействием внешнего поля, гарантируя эффективную работу мостовой схемы. Благодаря наличию концентраторов поля сенсор чувствителен к составляющей напряженности магнитного поля, совпадающей с плоскостью кристалла (рисунок 1.5). Величина сигнала ГМС сенсоров не зависит от частоты изменения магнит ного поля в диапазоне 0 – 1МГц, что делает их перспективными для регистрации низкочастотных вихретоковых сигналов.
Современные приборы и системы вихретоковой дефектоскопии оцифровывают выходные сигналы ВТП с их последующей компьютерной обработкой. При предварительной обработке решается задача подавления влияния мешающих факторов и помех. Полученный после предварительной обработки сигнал используют затем для классификации и оценки параметров выявляемых дефектов. Мешающие факторы, приводящие к изменению вихретокового сигнала при отсутствии дефектов, могут быть связаны со структурной неоднородностью металла ОК, наличия отложений на его поверхностях, влиянием формы сложнопро-фильной сканируемой поверхности, наличием вблизи зон контроля крепежных элементов. Искажения регистрируемых сигналов могут возникать и под действие внешних магнитных полей, а также из-за шумов в измерительном тракте.
Для предварительном обработки традиционно применяют фильтрацию сигнала, обычно на основе быстрого преобразования Фурье. Однако при этом происходит искажение информации о дефектах, что приводит к частичной потере информации неприемлемой при низком отношении сигнал/шум. В связи с этим в последнее время при вихретоковой дефектоскопии все большее внимание уделяется вейвлет-фильтрации, адаптивной и медианной фильтрации.
Медианная фильтрация применяется для подавления случайных всплесков сигналов, например, под влиянием внешних магнитных полей. На показанном примере (рисунок 1.6) представлена форма вихретокового сигнала до и после медианной фильтрации. а)
Выбор метода исследований и расчетных моделей
Сеть обучается иерархически, сначала обучение проводится для функции соответствия между входными сигналами и соответствующими им выходными данными для самой грубой разрешающей способности, а затем эта функция последовательно корректируется и дополняется с помощью соответствующей детализации на более высоких уровнях разрешения. Точность реконструкции дефекта может регулироваться числом уровней разрешения в архитектуре сети.
Как правило, обрабатывается некий массив сигналов, получаемых при сканировании. Массив может, как иметь, так и не иметь координатную привязку к сканируемой поверхности.
При отсутствии координатной привязки, обычно, анализируется форма годографов напряжения, вносимого в ВТП под влиянием дефектов [64, С. 580-581]. В простейшем случае годографы отображаются на экране дисплея вихретокового дефектоскопа и по их виду оператор судит о наличии и типе дефектов.
При наличии координатной привязки результаты контроля после обработки регистрируемых сигналов часто визуализируются, что дает наглядное представление о контролируемом объекте. Превышение уровня сигнала обычно выделяют цветом.
Под комбинированными методами неразрушающего контроля понимается совокупность нескольких, как правило, двух методов неразрушающего контроля при совместном использовании которых достигается сверхсуммарный эффект [97].
Известны комбинированные методы, в которых вихретоковый метод успешно используется в совокупности с магнитным (вихретоко – магнитный) и тепловым методами. (вихретоко – тепловой). Суть вихретоко-магнитного метода (ВТМ) заключается в регистрации локальных изменений магнитной проницаемости металла под воздействием повышенной напряженности магнитного поля, создаваемой за счет перераспределения дефектом магнитного потока намагничивающей системы.
ВТМ метод, по сравнению с вихретоковым и магнитным обеспечивает выявление подповерхностных дефектов, залегающих на большой глубине в ферромагнитных объектах.
Вихретоковым методом в ферромагнитных объектах подповерхностные дефекты практически не выявляются, что связано с проявлением скин-эффекта. Магнитные методы контроля (МК) обеспечивают выявление как поверхностных, так и подповерхностных дефектов, путем измерения градиентов магнитных потоков рассеяния в достаточно малых объемах над дефектным участком. Это приводит к необходимости использования многоэлементных первичных преобразователей, усложняя контроль сложнопрофильных участков. Магнитными методами не удается с приемлемой погрешностью оценить глубину дефектов, развивающихся с тыльной стороны контролируемого участка, а при толщине стенки более 20 мм подобные дефекты не выявляются.
Вместе с тем, функции распределения напряженности Н постоянного магнитного поля в металле при наличии и отсутствии дефекта существенно различаются. Наблюдается изменение магнитной проницаемости металла в окрестности дефекта, в том числе и на поверхности контролируемого объекта. Таким образом, создается возможность считывания информации о дефектах по изменению магнитных свойств намагниченного металла, что реализуется уже вихретоковым методом. Идея подобного комбинированного метода, получившего название SLOFEC (Saturation Low Freguency Eddy-Current), принадлежит фирме Kontroll Technik (Германия). При технологии SLOFEC используют низкочастотные вихревые токи, обеспечивая максимально возможную глубину их проникновения. Од 24 нако низкая абсолютная чувствительность в области низких частот приводит к необходимости применения вихретоковых преобразователей ВТП большого диаметра, что существенно снижает локальность контроля и требует достаточно мощной системы формирования и приема сигналов.
В работе [157] показано, что ВТМ метод может быть успешно реализован при работе ВТП в частотном диапазоне. Однако для этого требуется соответствующим образом выбирать величину напряженности Н намагничивающего магнитного поля. Показано, что при недостаточной или избыточной величине Н чувствительность к дефектам падает.
Это иллюстрируется дефектограммами, представленными на рисунке 1.11. Здесь показано изменения амплитуды вихретокового сигнала на частоте 30 кГц при сканировании стальной пластины толщиной 10 мм с дефектом глубиной 3 мм, расположенным с тыльной относительно сканирования стороны. Изменению амплитуды вихретокового сигнала соответствует изменение цвета на диаграмме. Намагничивание проводилось магнитным полем, направленным вдоль образца с напряженностями 2 кА/м, 5 кА/м и 8 кА/м, соответственно.
Расчет и анализ выходных сигналов вихретоковых преобразователей для полых объектов с дефектами типа трещин
Параметры ОК – пластина Т= 2 мм, =4 МСм/м. Номинальная относительная магнитная проницаемость МЖ – =7. Номинальные параметры дефекта: глубина h=1 мм, длина =10 мм, ширин 2b=0,2 мм, = 0. Расчеты проводились при положении ВТП над центром дефекта (х=0), что соответствует максимуму регистрируемого сигнала при сканировании.
В вихретоковом преобразователе типа СВТП за счет компенсационной обмотки выполняется подавление начального напряжения U0 в выходном сигнале, что позволяет непосредственно получить составляющую, связанную только с действием вторичного электромагнитного поля вихревых токов. Для этого компенсационная и измерительная обмотки включены встречно. На практике для более точной балансировки ВТП при отсутствии его взаимодействия с ОК подбирают соотношение числа витков и осевые зазоры между катушками. При этом в процессе контроля вторичное поле вихревых токов взаимодействует не только с измерительной обмоткой, но и с компенсационной. Однако из-за существенно большего, чем для измерительной обмотки, расстояния между компенсационной обмоткой и поверхностью образца результирующее выходное напряжение оказывается пропорциональным реакции вихревых токов.
Размеры катушек ВТП были выбраны на основании имеющегося опыта при решении аналогичных задач вихретоковой дефектоскопии, но без использования МЖ, а также по результатам пробных предварительных расчетов.
Предварительные эксперименты показали, что применение ферритового сердечника, используемого, обычно, для повышения абсолютной чувствительности ВТП нежелательно. Это связано с влиянием на выходной сигнал ВТП с феррито-вым сердечником постоянного магнитного поля, используемого для силового воздействия на МЖ при контроле для лучшего заполнения полости дефекта магнитной жидкостью или ее удержания.
В варианте "дефектный образец заполнен МЖ" принималось, что МЖ заполняет полость дефекта и распределена слоем с толщиной Тм = 2 мм под образцом с его тыльной стороны. Влияние величины Тм на регистрируемые сигналы исследовалось отдельно и отражено на рисунках 2.25 и 2.26.
В варианте "дефектный образец заполнен МЖ" принималось, что МЖ распределена слоем с толщиной Тм = 2 мм под образцом с его тыльной стороны. В варианте "дефект заполнен МЖ" принималось, что МЖ имеется только в полости дефекта. дефектный образец без МЖ
Вариант "дефектный образец без МЖ" ясен без пояснений. На рисунке 2.11 приведены рассчитанные зависимости вносимого подповерхностным дефектом нормированного напряжения U вн от частоты f для дефекта со следующими параметрами: h=1,0 мм, =10 мм, 2b=0,2 мм, =0. Ход кривых объясняется разнонаправленным действием на измерительную обмотку ВТП двух факторов: увеличения магнитного потока за счет магнитных свойств МЖ и ослабления магнитной связи ВТП с МЖ за счет вихревых токов, возбуждаемых в металле. В результате одновременного действия обоих факторов наблюдается монотонное уменьшение вносимого напряжения для всех вариантов, кроме варианта для дефектного образца без МЖ. В последнем варианте сначала наблюдается рост сигнала вплоть до частоты f= 15 кГц, затем сигнал стабилизируется. При дальнейшем увеличении частоты f, начиная с 35 кГц, наблюдается монотонное уменьшение U вн (не показано).
Следует отметить, что при любой частоте изменения вихретокового сигнала, связанные с воздействием дефекта, существенно возрастают за счет применения МЖ. Это хорошо видно из представленных на рисунке 2.12 годографах вносимого подповерхностным дефектом комплекса нормированного напряжения U вн при вариации частоты f. Из годографов на рисунке 2.12 следует, что с изменением частоты существенно изменяется фаза комплекса U вн , что связано с изменением фазы возбуждаемых в металле образца вихревых токов при изменении частоты.
Изменения фазы U вн возрастают по мере увеличения частоты f. Напротив, наибольшие изменения амплитуды U вн имеют место в низкочастотной области. Так, например, при частоте возбуждения f=1 кГц влияние дефектов любой глубины при наличии и отсутствии МЖ оказываются несопоставимыми.
Это хорошо видно из приведенных на рисунке 2.13 зависимостей U вн от глубины дефекта при f = 1 кГц, =10 мм, 2b=0,2 мм, =0. Из годографов U вн , показанных на рисунке 2.14 следует, что фаза U вн с изменением глубины дефекта h заполненного МЖ практически не изменяется. Рисунок 2.11 – Зависимости вносимого подповерхностным дефектом нормированного напряжения U вн от частоты f. Параметры дефекта h=1,0 мм, =10 мм, 2b=0,2 мм, =0. ВТП над центром дефекта (х=0). Рисунок 2.12 – Годографы вносимого подповерхностным дефектом комплекса нормированного напряжения U вн при вариации частоты f. Параметры дефекта h=1,0 мм, =10 мм, 2b=0,2 мм, =0. ВТП над центром дефекта (х=0).
Сравнительный анализ представленных зависимостей показывает, что за счет МЖ в полости дефекта влияние длины дефекта типа трещины проявляется существенно слабее. И им можно пренебречь, если длина трещины превышает диаметр ВТП более, чем в 3 раза. Это связано с тем, что сигнал от дефекта без МЖ формируется за счет искажения контуров вихревого тока, а при наличии МЖ – за счет усиления магнитного потока магнитной жидкостью. Наиболее сильно влияет на потокосцепление между возбуждающей и измерительной обмотками ВТП магнитная жидкость, находящаяся непосредственно под торцом ВТП. В то же время, растекание вихревого тока, обтекающего трещину, существенно изменяется и при вариации ее длины, превышающей диаметр ВТП. Рисунок 2.15 – Зависимости U вн от глубины дефекта для разных
На рисунках 2.17–2.18 приведены зависимости U вн от глубины дефекта для разных значений ширины 2b при f = 1 кГц, = 10 мм, =0. На рисунке 2.17 даны зависимости для образца без МЖ, а на рисунке 2.18 – с МЖ в полости дефекта. Здесь наглядно показано, что вариация ширины трещины оказывает существенное влияние на вихретоковый сигнал, формируемый при наличии МЖ. В то же время влияние ширины трещины на вихретоковый сигнал, формируемый трещиной без МЖ, незначительно. Это объясняется тем, что при увеличении ширины трещины возрастает объем МЖ, расположенной непосредственно под торцом ВТП. В тоже время влияние ширины трещины на деформацию контуров вихревого тока незначительно. Рисунок 2.17 – Зависимости U вн от глубины дефекта для разных
Вопросы практического применения исследуемого комбинированного метода для оценки технического состояния охлаждаемых лопаток авиационных газотурбинных двигателей
Разрабатываемый метод контроля имеет хорошие перспективы применения для дефектоскопии лопаток газотурбинных двигателей. Наиболее важен контроль лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) используемых в авиационной технике, так как разрушение лопатки авиационного двигателя чревато аварией с человеческими жертвами.
Лопатки авиационных газотурбинных двигателей - полые, имеют неболь шой объем внутренней полости с входным и выходным отверстием. Они имеют сложную форму поверхности и внутренней структуры (рисунки 4.1 – 4.3) Лопатки ГТД из жаропрочных никелевых сплавов эксплуатируются при высоких механи ческих напряжениях и температурах. Это, как отмечается в работе [68], приво дит к появлению со стороны внутренней полости лопаток клиновидных трещин, развивающихся под воздействием деформации ползучести. Клиновидная форма трещин благоприятна для их выявления разрабатываемым методом контроля, так как обеспечивает лучший доступ МЖ в полость дефекта.
Рабочая температура газа авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) превышает температуру плавления материала лопаток из жаропрочных сталей. Это определяет важность системы охлаждения, основанной на пропускании газа через внутреннюю полость турбинных лопаток. Для эффективного охлаждения необходимо с высокой точностью выдержать заданную структуру и размеры внутренних перегородок, а также толщину металла на отдельных участках. Этого невозможно достичь без получения достоверной информации о сложной внутренней структуры лопаток, локальной толщине стенок и размеров внутренних перегородок средствами неразрушающего контроля
Проблем не возникает при неразрушающем контроле и измерении требуемых размеров лопаток со стороны наружной поверхности [46, 68]. Вместе с тем в настоящее время не существует эффективных средств для дефектоскопии лопаток со стороны внутренней полости и измерения толщины металла на локальных участках между перегородками.
Для оценки технического состояния внутренней структуры охлаждаемых лопаток авиационных газотурбинных двигателей активно ведутся разработки средств неразрушающего контроля на основе радиационного, термографического и вихретокового методов неразрушающего контроля.
Радиационные методы применяются для обнаружения включений, дефектов литья, пустот, растрескиваний, аномалий охладительных отверстий. Для этого получают и анализируют рентгенограммы лопастей лопатки в нескольких проекциях (рисунок 4.4).
Рисунок 4.4 – Рентгенограммы лопастей лопатки авиационного газотурбинного двигателя в нескольких проекциях
В настоящее время проверка осуществляется с помощью метода радиоскопии на основе фотоэлектронного усилителя изображения лопастей в нескольких проекциях. Как отмечается в работе [156] при интерпретации данных изображения возникают трудности из-за необходимости высокого разрешения для обнаружения указанных дефектов, а также сложной структуры внутренних перегородок лопаток и значительного разброса толщины металла на соответствующих участ 114
ках лопаток. Для решения задач контроля в Центре развития рентгеновской техники Фраунгофера (ФРГ) разработана система контроля и весьма сложный и трудоемкий алгоритм, представленный на рисунке 4.5. Геометрическая нерезкость системы лежит в диапазоне от 0,5 мм до 0,75 мм. Точность системы обработки данных - 0,5 мм. Предполагаемые ошибки при измерениях толщины лопатки без специальной коррекции составляют 0,3 мм на 2 мм толщины стенки (15%), что не позволяет выявлять опасные дефекты. После введения системы компенсации вариации толщины металла большую часть дефектов в пределах доступной базы данных удалось обнаружить, однако вместе с этим было отмечено значительное возрастание уровня ложных сигналов, что недопустимо для проведения профилактического осмотра. Главными причинами этого являлись использование системы усиления изображения и сильное влияние остаточных рентгеновских отражений. 1 Предварительная обработка
Получение дифференцированного изображения с помощью исследуемого и контрольного изображений t С 1 Анализ отклонений и установление порогового значения уровня яркости для регистрации детектирования Установление порогового значения уровня яркости Детектирование отверстий с помощью априорных данных
Классификация дефектов 1 Рис.1. Схематическое изображение примененной оценки. Цветные блоки были добавлены в связи со специальными требованиями контроля лопаток турбин.
Модернизированный алгоритм обработки рентгеновских изображений. Цветные блоки добавлены в связи со специфическими требованиями к контролю лопаток газотурбинных двигателей
Для преодоления ограничений, присущих традиционным средствам радиационного контроля, в последнее время для производственного контроля лопаток ГТД применяются рентгеновские компьютерные томографы [14-17].
Пример изображения, получаемого с помощью томографа, приведен на рисунке 4.6. В отличие от рентгенограммы, на томограмме лопатки тени элементов внутренней структуры не накладываются друг на друга. Здесь внутренняя структура отражается без наложений и в истинном масштабе.
При производственном контроле измерения, как правило, проводятся в 5-ти заданных сечениях, в каждом из которых выполняется измерение толщины стенок в 10-12 местах. Допуски на толщину стенки лопатки составляют 0,15…0,30 мм и зависят от места положения соответствующего участка.
Если исходить из традиционного метрологического запаса в три раза, то погрешность бесконтактных измерений линейных размеров применительно к литым охлаждаемым лопаткам должна составлять от 0,1 до 0,05 мм, что уверенно обеспечивается современными профессиональными томографами [15-16].
