Введение к работе
Актуальность темы
Решение проблемы обеспечения безопасности промышленных объектов неразрывно связано с технической диагностикой (ТД) и неразрушающим контролем (НК), одним из направлений которого является толщинометрия металлоконструкций при наличии одностороннего доступа. Эта задача решается на множестве технических объектов, как при технологическом, так и при эксплуатационном контроле с использованием ультразвуковых (УЗ) толщиномеров ручного контроля.
В настоящее время основным методом УЗ толщинометрии является эхо-импульсный метод, на основе которого работают практически все УЗ толщиномеры, как ручного контроля, так и автоматизированные установки. Необходимым элементом большинства УЗ приборов являются пьезоэлектрические преобразователи, работающие только при наличии контактной жидкости, обеспечивающей акустическую связь между преобразователем и объектом контроля (ОК). И эта особенность УЗ метода во многом ограничивает его применимость, снижает производительность контроля, а так же ухудшает достоверность и воспроизводимость результатов измерений.
С середины 60-х годов началось развитие технологии возбуждения и приема УЗ колебаний позволяющей работать без использования контактной жидкости и основанной на эффекте электромагнитно-акустического (ЭМА) преобразования. В настоящее время несколькими компаниями выпускаются УЗ толщиномеры работающие с ЭМА преобразователями (ЭМАП) и не требующие при контроле применения контактной жидкости.
Отличительной особенностью этих приборов является использование в ЭМА преобразователях мощных постоянных магнитов. Этот фактор усложняет их практическое применение при ручном УЗ контроле, т.к. эффект притяжения преобразователя к ферромагнитым материалам затрудняет процедуры сканирования, приводит к частому повреждению ЭМАПов и выходу их из строя, создает травмоопасность для персонала.
Известно техническое решение, позволяющее исключить из конструкции ЭМАПа мощные постоянные магниты путём замены их на импульсные электромагниты. Эта технология используется, как правило, для производственного контроля в стационарных установках. Её применение в приборах ручного контроля ограничивалось высокими требованиями по энергопотреблению и сложностью реализации в малогабаритном исполнении.
В настоящее время появление новых конструкционных материалов, развитие электронной элементной базы и химических источников питания сформировало предпосылки для реализации технологии импульсного подмагничивания в малогабаритных ручных ЭМА толщиномерах. Создание и внедрение подобных приборов позволит устранить вышеперечисленные недостатки и расширить область применения УЗ ЭМА толщиномеров, повысив их производительность, достоверность, точность и эффективность. Поэтому разработка малогабаритного ручного УЗ толщиномера на основе ЭМА технологии с импульсным подмагничиванием представляет значительный интерес и является актуальной задачей.
Цель и задачи работы
Целью данной работы является разработка и практическое внедрение УЗ толщиномера для ручного контроля на основе ЭМАП с импульсным подмагничиванием, соответствующего по своим метрологическим, массогабаритным и эксплуатационным характеристикам типовым УЗ толщиномерам, и свободного от основного недостатка УЗ ЭМА толщиномеров - эффекта сильного притяжения к ферромагнитным ОК.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
1. Разработать математическую модель магнитной системы ЭМАП для импульсного режима работы, исследовать поведение поля подмагничивания в импульсном режиме и на этой основе разработать конструкцию системы импульсного подмагничивания.
-
Выполнить экспериментальные исследования с целью подтверждения корректности разработанной математической модели и определения особенностей и параметров помеховых сигналов, связанных с импульсным характером поля подмагничивания.
-
Теоретически и экспериментально оптимизировать режимы работы ЭМАП с индуктором импульсного подмагничивания и определить энергетические затраты на создание поля подмагничивания.
4. Разработать систему питания и формирования импульсов тока
подмагничивания с учётом малогабаритного варианта исполнения,
применимого для использования в УЗ толщиномерах ручного контроля.
5. На основе полученных результатов разработать ЭМА толщиномер с
импульсным подмагничиванием и исследовать его основные
эксплуатационные и технические характеристики при контроле изделий из
различных металлов и сплавов.
Научная новизна
-
Теоретически и экспериментально установлено, что при конфигурации магнитной системы в виде разомкнутого броневого сердечника для создания требуемой магнитной индукции величиной не менее 0,6 Тл (такое значение индукции создают наилучшие магнитные системы на постоянных магнитах) на поверхности неферромагнитного ОК в области диаметром 7 мм (акустическая апертура ЭМАП) необходима энергия 0,7 Дж для одного цикла излучения и приёма УЗ эхо-сигналов, длительность которого 320 мкс. Данный факт позволяет сделать вывод о возможности реализации технологии импульсного подмагничивания в ручном УЗ толщиномере, которая при частоте измерений до 20 Гц потребует энергопотребления не более 14 Вт.
-
Из-за нелинейной зависимости магнитной индукции от напряженности внешнего поля в материале сердечника нарушается принцип суперпозиции в электромагнитном поле ЭМАП, поэтому при расчете силы Лоренца для неферромагнитного материала ОК необходимо учитывать
взаимное влияние вихревых токов и подмагничивающего поля.
-
При контроле ферромагнитных материалов возникает дополнительный к известным помеховый фактор - шум Баркгаузена, регистрируемый на выходе сигнального индуктора ЭМАП при изменении поля подмагничивания. Дисперсия шума пропорциональна скорости изменения напряжённости подмагничивающего поля. Основной канал воздействия данного шума на сигнальный индуктор - магнитный. Для устранения влияния данного фактора зондирование и приём эхо-сигналов необходимо выполнять в интервале времени при почти установившемся значении поля подмагничивания, что соответствует задержке порядка 400... 600 мкс от момента включения поля подмагничивания.
-
Экспериментально обнаружено, что для ЭМАП с радиальной поляризацией при контроле ферромагнитных материалов амплитуда эхо-сигнала зависит от взаимного направления токов в подмагничивающем и сигнальном индукторах, если возбуждающий сигнал подается в момент, когда еще ток подмагничивания не установился.
Практическая значимость и реализация результатов работы Полученные в работе научные результаты легли в основу следующих
разработок, имеющих существенную практическую и прикладную
значимость:
1. На базе предложенной и оптимизированной конструкции
импульсного электромагнита, разработаны два типа УЗ ЭМАПов поперечных
волн - с радиальной и с линейной поляризацией.
-
Разработана система питания импульсного электромагнита для ручного УЗ ЭМА толщиномера с использование литий-феррум-полимерных аккумуляторов и сильноточных ключей с малым внутренним сопротивлением, что обеспечило возможность формирования импульсов тока величиной до 150 А в индукторе подмагничивания.
-
Разработан малогабаритный УЗ ЭМА толщиномер с импульсным подмагничиванием А1270РМ, проведены его испытания и подготовлен серийный выпуск.
Апробация работы
Основные положения работы были доложены на 7 международных и 2 отечественных научно-технических конференциях по НК и ТД:
-
3-я Международная конференция "Диагностика трубопроводов" (Москва, 21-26 марта 2001 г.)
-
XVI Российская научно-техническая конференция "Неразрушающий контроль и диагностика" (Санкт-Петербург, 9-12 сентября 2002 г.)
-
XXVIII Международное научно-техническое совещание по проблемам прочности двигателей ( 26-28 ноября 2002 г.)
-
3-я Международная выставка и конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности». (17 - 18 марта 2004 г.)
-
16th World Conference on Nondestructive Testing. (Montreal, Aug. 30 - Sep. 3, 2004)
-
17-я Российская научно-техническая конференция с международным участием «Неразрушающий контроль и диагностика» (Екатеринбург, 5-11 сентября 2005 г.)
-
European Conference on Non-Destructive Testing (Berlin, Sep. 25-29, 2006)
-
7-я Международная выставка и конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности». (Москва, 11-13 марта 2008 г.)
-
10th European Conference on Non-Destructive Testing. (Moscow, June 7-11, 2010)
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 23 печатные работы: 8 статей в журналах, включая 2 из списка ВАК, 11 докладов на конференциях (в том числе 8 международных), получено 3 патента РФ на изобретения и 1 патент РФ на полезную модель.
Структура и объём диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения,
списка литературы и приложений. Объём составляет 95 страниц, включая 54
иллюстраций и 8 таблиц.
