Введение к работе
1.1 Актуальность темы
Процесс производства различного класса изделий и их безопасной эксплуатации невозможен без контроля их качества неразрушающими методами. Важное место среди них занимает вихретоковый метод, который обеспечивает высокую надежность обнаружения поверхностных дефектов, высокую скорость контроля и возможность бесконтактного съема информации. Принцип вихретокового метода основан на возбуждении в контролируемом изделии вихревых токов и последующем выделении на выходе преобразователя сигнала, амплитуда и фаза которого определяются действующим вторичным полем вихревых токов.
Основными задачами неразрушающих методов контроля металлоизделий являются обнаружение дефектов сплошности и оценка их геометрических параметров. Сложность дефектометрической оценки вихретоковым методом связана с существенным влиянием на результаты измерения вариации рабочего зазора, электромагнитных свойств металла, изменения кривизны и шероховатости поверхности, а также других влияющих факторов. При ручном контроле на погрешность измерений наиболее существенно влияют: край изделия, изменение угла наклона вихретокового преобразователя (ВТП), зазор между вихретоковым преобразователем и контролируемой поверхностью, локальное изменение шероховатости и кривизны поверхности, магнитные пятна. Неоднозначность дефектометрической оценки обусловлена также формой дефекта и его расположением. В связи с большим числом влияющих факторов и необходимостью применения контрольных образцов, возможности дефектометрической оценки существующими средствами вихретокового контроля весьма ограничены, что определяет актуальность исследований и разработок, связанных с вихретоковой дефектометрией.
1.2 Состояние проблемы
В настоящее время в России и за рубежом созданы и используются в промышленности различные типы вихретоковых дефектоскопов, которые позволяют эффективно обнаруживать поверхностные и подповерхностные дефекты типа трещин и оценивать их глубину. Однако точность определения геометрических размеров дефекта прямо зависит от электромагнитных свойств контролируемого материала и для улучшения метрологических характеристик дефектоскопа контрольные образцы с набором искусственных дефектов различной глубины необходимо изготавливать из материала объекта контроля. Оценку глубины естественного дефекта необходимо осуществлять через сравнение с эталоном. Данную проблему можно решить созданием адаптивного средства неразрушающего контроля, автоматически учитывающего свойства материала и влияющие факторы при определении глубины измеряемого дефекта.
1.3 Цель диссертационной работы
Цель данной диссертационной работы состоит в повышении достоверности обнаружения дефектов и их дефектометрической оценки путем разработки адаптивных средств вихретоковой дефектометрии.
1.4 Основные задачи диссертационной работы:
Разработать усовершенствованный ВТП и схему его включения для адаптивных средств вихретоковой дефектоскопии.
Провести исследования и определить изменение выходных сигналов реальных ВТП под воздействием характерных дефектов.
Разработать алгоритмы автоматического выбора и коррекции параметров измерения в процессе контроля: рабочих частот, чувствительности и способов обработки информации.
Разработать алгоритмы, автоматически учитывающие свойства материала и влияющие факторы при расчете глубины измеряемого дефекта и позволяющие выполнять дефектометрическую оценку его глубины.
Разработать алгоритмы, и схемотехнические решения, обеспечивающие работу средств вихретоковой дефектоскопии с зазором до 10 мм при диаметре преобразователя не более 5 мм.
Разработать адаптивные средства вихретоковой дефектоскопии с возможностью контроля объектов сложной геометрии с повышенной шероховатостью поверхности, коррозией, локальными структурными неоднородностями и т.д. на основе разработанных алгоритмов и решений.
1.5 Научная новизна
Получены математические модели для расчета выходных сигналов реальных конструкций накладных ВТП со стержневым ферромагнитным сердечником, в том числе, для ВТП с измерительной обмоткой, включенной в параллельный колебательный контур.
Оценка параметров дефекта по фазе выходного сигнала накладного ВТП с измерительной обмоткой, включенной в параллельный колебательный контур, позволяет значительно снизить влияние непроводящего зазора на сигнал от дефекта и улучшить соотношение сигнал/шум.
Для различных режимов контроля получены зависимости влияния вариации электромагнитных свойств материала, рабочего зазора и других параметров на вносимые под воздействием дефектов параметры накладного ВТП с измерительной обмоткой, включенной в параллельный колебательный контур.
Предложены алгоритмы, позволяющие повысить достоверность контроля и улучшить метрологические характеристики, за счет отстройки от влияния мешающих факторов и автоматического выбора квазиоптимальных режимов контроля.
1.6 Защищаемые научные положения
Применение корректирующей емкости, включенной в колебательный контур, позволяет снизить влияние дефекта на выходной сигнал амплитудного измерительного канала, что позволяет примерно в 2 раза увеличить диапазон рабочих зазоров.
Применение предложенного метода геометрической аппроксимации позволило снизить погрешность измерения глубины дефекта типа продольной трещины с 60% до 10%.
Применение предложенных методов цифровой фильтрации позволило снизить порог глубины выявляемого дефекта с 0.5 мм до 0.1 мм.
1.7 Практическая значимость и реализация результатов работы
1. Предложенные алгоритмы аппроксимации результатов измерений и
обработки сигналов, можно использовать при проведении лабораторных работ
и учебного процесса по специальности 05.11.13.
Использование алгоритма обработки сигнала в программном обеспечении вихретокового дефектоскопа ВД-87НСТ/1 позволило значительно повысить точность измерения глубины дефекта и снизить влияние зазора.
Созданы эффективные средства вихретоковой дефектоскопии, с улучшенными техническими характеристиками:
вихретоковый дефектоскоп ВД-12НФП, способный работать по грубым поверхностям сложной криволинейной формы - разработан и внедрен.
вихретоковый дефектоскоп ВД-12НФК, предназначенный для контроля протяженных сварных соединений - разработан и внедрен.
универсальный многочастотный вихретоковый дефектоскоп ВД-90НП, предназначенный для контроля наружной поверхности и сварных соединений промысловых и магистральных газопроводов, деталей и узлов насосно-компрессорных станций газопроводов в тяжелых полевых условиях.
1.8 Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на V Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (Москва, 2002г); 1-ой Национальной конференции "Методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики" (Молдова, Кишинев, 2003), III, VI и VIII Междунар одных выставках и конференциях «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 2004, 2007, 2009), XIV и XV Международных конференциях и выставках «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики» (Украина, Ялта, 2006 г, 2007 г), 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), 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 "Неразрушаю-щий контроль и диагностика - 2009" (Вильнюс, Литва, 2009), 3-й международной научно-техническая конференции и выставке «Современные методы и приборы контроля качества и диагностика состояния объектов» (Беларусь, Могилев, 2009), международной научно-техническая конференция "Информационные технологии в науке, технике и образовании"(Египет, Хургада, 2009).
По материалам диссертации опубликовано 24 печатные работы. На технические решения, реализованные в разработанных вихретоковых средствах контроля системах, получены 2 патента РФ на полезную модель и 1 патент РФ на изобретение. Разработанный на основании материалов диссертации вихрето-ковый дефектоскоп ВД-90НП занял 1-е место в конкурсе «ИННОВАЦИЯ 2009», проводившегося в рамках VIII Международной выставки и конференци и NDT-2009 и награжден золотой медалью IX-го международного форума «Высокие технологии XXI века».
1.10 Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка использованной литературы, включающего 123 наименования.
Она содержит 150 страниц машинописного текста, 8 таблиц и 89 рисунков.
