В данной статье использованы следующие сокращения:
Неразрушающий контроль (НК) — контроль, при котором не должна быть нарушена пригодность технических устройств к применению и эксплуатации;
Вихретоковый преобразователь (ВП) — устройство, состоящее из одной или нескольких индуктивных обмоток, предназначенных для возбуждения в объекте контроля вихревых токов и преобразования зависящего от параметров объекта электромагнитного поля в сигнал преобразователя;
Вихретоковый дефектоскоп (ВД) — прибор, основанный на методах вихретокового НК и предназначенный для выявления дефектов объекта контроля типа нарушенной сплошности;
Размагничивающий блок (РБ) — устройство, предназначенное для уменьшения остаточной намагниченности контролируемого изделия до и после контроля;
Многоканальный прибор (МП) — прибор с несколькими измерительными каналами;
Современная внутритрубная диагностика немыслима без новых систем контроля работающих в экстремальных условиях. Вихретоковый метод неразрушающего контроля только начинает покорять внутритрубную диагностику, он ещё не завоевал достаточного признания и авторитета в техническом сообществе. Внутритрубная диагностика осуществляется путем сканирования внутренней поверхности трубопровода внутритрубными приборами-дефектоскопами. Внутритрубные снаряды представляют собой механическое транспортное устройство с размещенными на нем датчиками, системами сбора, обработки и хранения информации, источником питания.
Существуют различные методы диагностики-магнитный, ультразвуковой. Каждый метод имеет свои недостатки. Недостатками ультразвуковой метод являются низкая чувствительность к некоторым дефектам сварных швов (слипание, окисная плёнка, вольфрамовые включения) и необходимость использования контактных жидкостей. Магнитный метод требует очень сложные и громоздкие конструкции с постоянными магнитами, а также большое энергопотребление.
Рассмотрим природу образования метода вихретокового контроля. Методы вихретокового контроля основаны на законе электромагнитной индукции (М.Фарадей, 1831). Согласно М.Фарадею, внешнее по отношению к среде переменное магнитное поле наводит электродвижущую силу (ЭДС), которая, если среда проводящая, создает в ней вихревые токи, регистрирующиеся измерительным преобразователем. В качестве преобразователя используются обычно индуктивные катушки (одна или несколько). Электромагнитное поле вихретоковых токов воздействует на катушку преобразователя, проводя в них ЭДС или изменяя их полное сопротивление.
Рассмотрим общую функциональную схему вихретокового контроля на примере прибора с накладными измерительным преобразователем (рисунок 1).
Рис. 1. Принцип действия прибора с накладным преобразователем
Важная особенность вихретокового контроля — это бесконтактность, т. е. между объектом контроля и преобразователем создается небольшое (до 2 мм), но достаточное расстояние для свободного движения преобразователя. Вихретоковый метод позволяет производить контроль на больших скоростях, которые недоступны другим методам.
Вихретоковый контроль позволяет выявлять трещины, выходящие на поверхность и имеющие ширину раскрытия более 0,01 мм, глубину более 0,1 мм и длину более 2 мм. Эта чувствительность достигается при использовании преобразователей для ручного сканирования с диаметром измерительной катушки не более 2–3 мм на поверхностях с шероховатостью не более Ra 2,5 мкм.
Получение информации в виде электрических сигналов, бесконтактность и высокое быстродействие вихретокового контроля — все это определяет высокую производительность и возможность автоматизации контроля. На сигналы вихретокового преобразователя практически не влияют влажность, давление и загрязненность газовой среды, а также загрязнение поверхности объекта контроля непроводящими веществами. Вихретоковые преобразователи устойчивы к механическим и атмосферным взаимодействиям, могут работать в агрессивных средах, при высоких температурах и давлениях, так как в большинстве случаев катушки преобразователей помещают в предохранительный корпус и герметически закрывают.
С помощью вихретокового контроля обнаруживают дефекты типа несплошностей, выходящих на поверхность или залегающих на небольшой глубине, а также разнообразные трещины, расслоения, закаты, плены, раковины, неметаллические включения и т. д.
Структурное состояние металлов и сплавов влияет на их электрические и магнитные характеристики. Благодаря этому оказывается возможным контролировать не только однородность химического состава, но и структуру металлов и сплавов, а также определять механические напряжения. Широко применяют вихретоковые измерители удельной электрической проводимости и другие приборы для сортировки металлических материалов и графитов по маркам (по химическому составу). С помощью вихретоковых приборов контролируют качество термической и химико-термической обработки деталей, состояние поверхностных слоев после механической обработки (шлифование, наклеп), обнаруживают остаточные механические напряжения, выявляют усталостные трещины в металлах на ранних стадиях их развития и т. д. Приборы, осуществляющие этот метод контроля, называются вихретоковыми структуроскопами.
Данный метод позволяет создать сенсор, состоящий из нескольких ВП, что дает возможность построить многоканальную матрицу, способную осуществлять сплошной контроль покрывая 100 % исследуемой поверхности. Создание сенсора на основе вихретокового метода может дать возможность получения информации не только о дефектах исследуемой трубы, но и о качестве изготовленной трубы, что на сегодняшний день не дают другие методы.
В конструкции ВП могут применяться разные типы сердечников:
– ВП с ферромагнитным сердечником- вихретоковый преобразователь, в котором магнитный поток проходит по ферромагнитному сердечнику и усиливается им.
– ВП с постоянным магнитом — вихретоковый преобразователь с одним или несколькими постоянными магнитами, магнитное поле которого необходимо для выполнения измерения.
Применение сердечников различного типа и конструкции позволяет значительно повысить чувствительность датчиков и получить данные высокой точности.
Примером этого может служить конструкция многоканального сенсора из нескольких ВП и РБ (рисунок 2)
Рис. 2. Конструкция многоканального сенсора
Используя сенсоры с одним или несколькими ВП, появляется возможность строительства компактных, менее энергозатратных дефектоскопов для внутритрубной диагностики с высокой разрешающей способностью, позволяющие проводить данные работы с получением максимальной информации после прохождения обследуемого участка. Установка РБ в сенсор необходима для устранения воздействия ВП после проведения дефектоскопии.
Ниже приведена схема размещения сенсоров на внутритрубном дефектоскопе (рисунке 3).
Рис. 3. Многоканальный дефектоскоп с сенсорами на вихретоковых преобразователях
Выводы
Сложные конструкции и механизмы требуют постоянного контроля различных параметров. В настоящее время на рынке измерительных систем и датчиков доминирующее положение продолжают занимать магнитные и ультразвуковые измерительные системы. Альтернативой подобным системам может стать использование вихретоковых технологий. ВП могут занять нишу, где традиционные измерительные средства не могут быть использованы или их применение является затратным.
ВД могут применяться там, где регулирующие органы предъявляют более жесткие требования к условиям эксплуатации, а именно, требования на помехозащищенность, безопасность измерений, точность и пр. Именно этим критериям удовлетворяют вихретоковые датчики. Эти тенденции могут привести к ситуации, когда вихретоковые измерительные системы составят конкуренцию традиционным измерительным системам.
Литература:
- Неразрушающий контроль сварных конструкций в нефтегазовых отраслях: Учебное пособие / А. А. Антонов, Е. М. Вышемирский, О. Е. Капустин, А. К. Прыгаев. — М.: Издательство «Спутник +», 2014. — 238с.
- Работоспособность трубопроводов: в 3 ч. / Е. Е. Зорин, Г. А. Ланчаков и др.- М.: Недра-бизнесцентр, 2000. — Ч. 1–3.
- Горицкий, В. М. Диагностика металлов — М.: Металлургиздат, 2004.- 402с.
- ГОСТ Р ИСО 24497–1–2009. Контроль неразрушающий. Метод магнитной памяти металла. Ч. 1. Термины и определения. — Взамен ГОСТ Р 52081–2003; Введ. 01.12.2010. — М.: Стандартинформ, 2010. — 7 с.
- О проблемах применимости метода магнитной памяти металла при контроле напряженно-деформированного состояния металлоконструкций / М. Б. Аркулис, М. П. Барышников, Н. И. Мишенева, Ю. И. Савченко // Дефектоскопия. — 2009. — № 8. — С. 10–12.
- Каневский, И.Н., Сальникова, Е. Н. Неразрушающие методы контроля: учебное пособие. — Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2007. — 243 с.
- Методика, технология и аппаратура ширографического неразрушающего контроля материалов и элементов конструкций / Л. М. Лобанов, В. А. Пивторак, Е. М. Олейник, И. В. Киянец // Техн. диагностика и неразруш. контроль. — 2004. — № 3. — С. 25–28.
