На правах рукописи
Шубочкин Андрей Евгеньевич
РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ВИХРЕТОКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ
ТРУБ В ПРИЛОЖЕННОМ ПОСТОЯННОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной
среды, веществ, материалов и изделий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва – 2011
Работа выполнена в ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр», г. Москва
Научный руководитель: доктор технических наук Артемьев Борис Викторович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Федосенко Юрий Кириллович доктор технических наук Коваленко Александр Николаевич
Ведущая организация: ЗАО НПЦ «Молния»
Защита состоится «25» мая 2011 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 520.010.01 ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр»
По адресу: 119048, г. Москва, ул. Усачёва, 35, строение 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР»
Автореферат разослан 22 апреля 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н. Н.В. Коршакова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы Роль трубопроводного транспорта в системе экономической безопасности России, обладающей запасами углеводородного сырья (нефти и газа) мирового значения, неоценима, наиболее экономически выгодным способом доставки этих видов сырья является транспортировка с использованием трубопроводов, что обуславливает особое внимание к вопросам их диагностики. Проблемы техногенной и экологической безопасности, совершенствование средств и методов неразрушающего контроля требуют постоянного внимания, так как ежегодные крупные аварии приносят колоссальный урон окружающей среде и экономике. В настоящее время средний срок эксплуатации 30% газопроводов превысил тридцатилетний рубеж. Старение магистральных трубопроводов при их протяженности более 200 тыс. км, влечет за собой большой объём работ для своевременного контроля их состояния, в связи с чем требуется применение внутритрубных систем контроля. Значительно уменьшая трудоемкость контроля, исключая человеческий фактор в ходе автоматического съема информации и имея высокую скорость контроля, внутритрубные дефектоскопы позволяют не только контролировать состояние трубопроводов, но и при периодическом контроле отслеживать их остаточный ресурс. К сожалению, большой процент газопроводов из-за их конструктивных особенностей не позволяет использовать данный тип дефектоскопов.
Поверхностные сканеры оказываются необходимы как при частичной шурфовке с целью обнаружения и локализации дефектов, выявленных при внутритрубном контроле, так и при выборочном контроле тела трубы и сварных соединений, при проведении переизоляции трубопроводов. Проблема одностороннего доступа к контролируемому объекту возникает при контроле сварных соединений и в процессе производства различного класса изделий, таких как:
трубы, профили различного сечения, листовой прокат, баки и цистерны; а также для их последующей безопасной эксплуатации.
Важное место среди используемых методов неразрушающего контроля перечисленных объектов занимают электромагнитные методы, способные обеспечить высокую надежность обнаружения поверхностных дефектов, высокую скорость контроля, возможность бесконтактного съема информации.
Однако каждый из существующих методов имеет значительные ограничения, влияющие на область их применения и достоверность контроля. Так вихретоковый метод контроля, успешно применяемый для поиска поверхностных трещин в изделиях из ферромагнитных материалов, не способен обнаруживать внутренние дефекты. Самым значимым ограничением использования метода утечки магнитного потока (MFL) является диэлектрический зазор между чувствительными элементами и объектом контроля, а также неспособность определить с какой стороны объекта контроля расположен дефект. Значительной сложностью является и выявление произвольно ориентированных дефектов. Известен метод «SLOFEC», заключающийся в доведении контролируемого участка изделия до насыщения постоянным магнитным полем с последующим обнаружением подповерхностного дефекта накладным вихретоковым преобразователем. Недостатками данного метода являются нечувствительность к малым дефектам, вызванная низкой частотой контроля.
Определение дефектов в зоне термического влияния сварного шва затруднено вследствие неоднородности магнитных характеристик контролируемого материала. Реальная зона искажения магнитной проницаемости основного тела трубы и сварного шва значительно отличаются, существующие модели сварного шва не учитывают изменение структуры металла, вызванного разупрочнением в результате воздействия термического цикла сварки.
Несмотря на обилие современных методов и приборов неразрушающего контроля, задача поиска дефектов несплошности во всем теле трубы, в том числе и в околошовной зоне при наличии одностороннего доступа к объекту контроля, полностью не решена, что определяет актуальность исследований и разработок в данном направлении.
Все это свидетельствует об актуальности задачи повышения чувствительности и точности измерения размеров дефектов с учетом зоны термического влияния и особенностей формы сварного шва.
В связи с этим настоящая работа посвящена совершенствованию методов неразрушающего контроля и разработке средств вихретоковой дефектоскопии труб в приложенном постоянном магнитном поле.
Цель диссертационной работы Цель данной диссертационной работы состоит в совершенствовании теории вихретоко вого метода контроля в постоянном приложенном магнитном поле, повышении достоверности обнаружения дефектов и их идентификации, создании магнитно-вихретоковых приборов для контроля трубопроводов, качества сварных соединений, автоматизированного контроля изде лий различных отраслей промышленности.
Для достижения сформулированных целей потребовалось решить следующие задачи:
1. Провести анализ существующих методов электромагнитной дефектоскопии, выявить их недостатки и определить круг задач по их совершенствованию.
2. Разработать способ снижения погрешности оценки глубины дефекта, за счет учета неодно родности зоны термического влияния сварного шва.
3. Провести исследования и определить изменение выходных сигналов реальной магнитно-ви хретоковой системы под воздействием характерных дефектов и влияющих факторов.
4. Разработать систему вихретокового контроля с матричными преобразователями для увели чения зоны контроля при работе в приложенном постоянном магнитном поле.
5. Разработать алгоритм настройки системы вихретокового контроля с матричными преоб разователями и учесть взаимное влияние вихретоковых преобразователей при проведении контроля.
6. На основе разработанных алгоритмов и решений создать средства магнитно-вихретоковой дефектоскопии для контроля ферромагнитных материалов, при одностороннем доступе к объекту контроля, с целью выявления как поверхностных, так и внутренних дефектов, таких как трещины, коррозионные поражения, локальные структурные неоднородности и т.д.
Научная новизна 1. Предложена математическая модель для расчета выходных сигналов накладных вихрето ковых преобразователей со стержневым ферромагнитным сердечником в качестве чувстви тельного элемента и измерительной обмоткой, включенной по дифференциальной схеме, с учетом влияния приложенного постоянного магнитного поля.
2. Предложены алгоритмы учета неоднородности зоны термического влияния сварного шва, позволяющие повысить достоверность контроля.
3. Проведено исследование магнитных свойств продуктов коррозии и отложений магистраль ных нефтепродуктопроводов, а так же их влияния на сигналы вихретокового преобразова теля в приложенном постоянном магнитном поле.
4. Проведены исследования взаимного влияния вихретоковых преобразователей при исполь зовании их в матрице. Предложенные алгоритмы построения матрицы неэкранированных вихретоковых преобразователей и учета их взаимного влияния, позволяют повысить чув ствительность контроля и обеспечить гарантированное выявление произвольно ориентиро ванного дефекта малой протяженности, за счет снижения отрицательного взаимного влия ния соседних вихретоковых преобразователей.
5. Для различных режимов контроля получены зависимости вносимых под воздействием по верхностных и внутренних дефектов параметров накладного вихретокового преобразовате ля в приложенном постоянном магнитном поле от значимых влияющих факторов.
Защищаемые научные положения 1. Способ снижения погрешности оценки глубины дефекта за счет учета неоднородности зоны термического влияния сварного шва.
2. Метод учета взаимного влияния соседних неэкранированных вихретоковых преобразова телей со стержневым ферромагнитным сердечником в составе матрицы на чувствитель ность к пороговому дефекту.
3. Предложенные подходы к конструированию магнитно-вихретоковых преобразователей.
4. Концепция построения магнитно-вихретоковых дефектоскопов, позволяющих контролиро вать как поверхностные, так и внутренние дефекты в изделиях из ферромагнитных матери алов.
Практическая значимость и реализация результатов работы 1. Предложенные алгоритмы аппроксимации результатов измерений и обработки сигналов, использованы в разработанных средствах магнитно-вихретоковой дефектоскопии.
2. Создан магнитно-вихретоковый преобразователь, предназначенный для использования с вихретоковым дефектоскопом ВД-12НФП, способный работать со всеми ранее выпущен ными вихретоковыми дефектоскопами серии ВД-12.
3. Созданы и внедрены эффективные средства магнитно-вихретоковой дефектоскопии:
- вихретоковый дефектоскоп ВД-90НП;
- многоканальный вихретоковый дефектоскоп ВД-91НМ – разработаны три модифи кации и выпущен опытный экземпляр в модификации для ручного контроля;
- вихретоковая автоматизированная система контроля ВД-92П, предназначенная для контроля сварного шва труб в процессе производства с возможностью объединения нескольких систем в единый комплекс неразрушающего контроля;
Апробация работы Основные результаты работы докладывались на V Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, эко номики и права» (Москва, 2002); 1-ой Национальной конференции “Методы и средства нераз рушающего контроля и технической диагностики” (Молдова, Кишинев, 2003); III, VI и VII Международных выставках и конференциях «Неразрушающий контроль и техническая диагно стика в промышленности» (Москва, 2004, 2007, 2008); XV Международной конференции и вы ставки, «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагности ки»(Украина, Ялта, 2007), 13-ой и 17-ой Международных деловых встречах «Диагностика – 2003» и «Диагностика – 2007» (Сочи, 2003, 2007), III Российской научно-технической конфе ренции “Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций”, (Екатеринбург, 2007), XV международной конференции "Современные методы и средства НК и ТД", Ялта, 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 "Нераз рушающий контроль и диагностика – 2009" (Каунас, Литва, 2009); 3-й международной научнотехническая конференции и выставке «Современные методы и приборы контроля качества и диагностика состояния объектов» (Беларусь, Могилев, 2009); 10-ой Европейской конференции по неразрушающему контролю (Москва, 2010).
По материалам диссертации опубликовано 29 печатных работ, в том числе 6 статей в из даниях из списка ВАК (журналы «Дефектоскопия», «Контроль. Диагностика»). На технические решения, реализованные в разработанных вихретоковых средствах контроля и намагничиваю щем устройстве, получены 1 патент РФ на изобретение и 3 патента РФ на полезную модель.
Разработанный на основании материалов диссертации вихретоковый дефектоскоп ВДНП занял 1-е место в конкурсе «ИННОВАЦИЯ 2009», проводившемся в рамках VIII Между народной выставки и конференции NDT-2009 и награжден золотой медалью IX-го международ ного форума «Высокие технологии XXI века».
Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка использованной литературы, включающего наименования.
Объем работы составляет 146 страниц, включая 15 таблиц и 91 иллюстрацию.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении приведено обоснование актуальности выбранной темы диссертации, сформулированы цель работы и задачи исследований, отражена научная новизна, изложены сведения об апробации и показана практическая ценность работы.
В первой главе проведен обзор и анализ состояния теоретических и экспериментальных исследований в области магнитной и вихретоковой дефектоскопии; рассмотрены существую щие методы и приборы электромагнитной дефектоскопии, а также отражены вопросы примени мости методов численного решения краевых задач электродинамики для выполнения проектов и интерпретации измерений.
Отмечен существенный вклад в развитие магнитной и вихретоковой дефектоскопии рос сийских ученых Клюева В.В., Мужицкого В.Ф., Федосенко Ю.К., Щербинина В.Е., Шатернико ва В.Е., Шкатова П.Н., Сапожникова А.Б., Шкарлета Ю.М., Зацепина Н.Н., Сухорукова В.В., Дорофеева А.Л., Беды П.И., Герасимова В.Г., Власова В.В., Комарова В.А., Коваленко А.Н. и др.
Проведенный анализ показал, что существующие средства магнитного и вихретокового контроля не обеспечивают требуемую для практики чувствительность к дефектам из-за воздей ствия мешающих факторов. При этом актуальными являются вопросы учета влияния сварных соединений и диэлектрического зазора на эффективность обнаружения и интерпретации ре зультатов контроля, создания и совершенствования средств дефектоскопии и разработки их метрологического обеспечения.
Во второй главе выполнены исследования трехобмоточного трансформаторного наклад ного вихретокового преобразователя (ВТП) со стержневым ферромагнитным сердечником (СВТП).
Предложена модель объекта контроля, учитывающая неоднородность магнитных свойств зоны термического влияния (ЗТВ) сварного шва. Было доказано, что моделирование процесса взаимодействия СВТП с выбранным объектом контроля с учетом влияющих факторов возмож но только на основе численных методов. Для этой цели был выбран метод конечных элементов (МКЭ). Для практической реализации МКЭ использовался программный пакет ANSYS. В каче стве неизвестных использовались компоненты вектора магнитного потенциала.
В основе МКЭ лежит преобразование, дискретизация и решение системы уравнений Максвелла для расчетной области. Векторный магнитный потенциал вводится выражениями:
где: V – скалярный потенциал, – напряженность электрического поля.
После проведения преобразований и учитывая уравнения состояния материала, можем запи сать дифференциальные уравнения, подлежащие решению:
или для моногармонических процессов:
где: – абсолютная магнитная проницаемость материала, µ – абсолютная магнитная проницаемость свободного пространства, – вектор намагниченности (для постоянных магнитов), – удельная электрическая проводимость (для проводников), Для витка ВТП, находящимся над проводящем ферромагнитным полупространством комплексное вносимое напряжение рассчитывается из выражения:
– количество витков возбуждающей и измерительной обмоток соответственно;
– средние радиусы возбуждающей и измерительной обмоток соответственно;
центрами обмоток ВТП и поверхностью образца контроля;
– расстояние от центра соответствующей обмотки ВТП до внешней поверхности объекта контроля;
– функция влияния объекта контроля.
На рис. 1 приведена модель протяженного поверхностного дефекта типа несплошности, которая была использована при моделировании. Учитывая симметрию образца и ВТП, моделирование проводилось для сектора пространства в 90 градусов, причем линия раздела проходит через ось симметрии дефекта.
Наложение сетки проводилось с учетом неоднородности магнитных свойств материала в зоне термического влияния сварного шва. Для моделирования воздушной среды использовалась простая блочная сетка, состоящая из 4-х узловых элементов. Для преобразователя и объекта контроля применены полностью структурированные гексаэдрические сетки (8-ми узловые). Для совмещения зон структурированных и неструктурированных блочных сеток применены 5-и узловые пирамидные сетки.
Минимальный шаг сетки задан на поверхности образца и вблизи дефекта с плавным увеличением шага при удалении от дефекта.
1 – вихретоковый преобразователь, 2 – воздушный зазор, 3 – объект контроля, 4 – дефект На рис. 2а дано распределение модуля плотности тока на поверхности объекта контроля для сектора пространства 90 на рис. 2б дано распределение модуля плотности тока для полупространства, образованного плоскостью, проходящей через ось симметрии вихретокового преобразователя, установленного над дефектом.
Рис.2 Топография плотности тока при моделировании МКЭ с ВТП На рис. 3 приведены экспериментальные и полученные с помощью моделирования мето дом конечных элементов зависимости изменения фазы сигнала СВТП для поверхностных и внутренних дефектов (протяженная трещина глубиной 1мм раскрытием 0,1мм) от частоты про ведения контроля (от 10 до 200кГц). Расхождение между экспериментальными данными и дан ными моделирования не превышает 15%.
Рис. 3 Расчетные и экспериментальные зависимость изменения фазы сигнала ВТП от часто ты возбуждения для протяженных дефектов глубиной h=1мм, раскрытием 0,1мм при z=1,5 мм, Н=1,4 кА/м, толщина стенки 8мм На рис. 4 и 5 представлены расчетные и экспериментальные значения приращения фазы сигнала ВТП на дефекте типа продольная трещина глубиной 1мм, раскрытием 0,1мм, в зависимости от удаления дефекта от центра сварного шва для диапазона зазоров от 1,5 до 10мм.
Рис. 4 – внутренний дефект, рис. 5 – поверхностный дефект. Дефекты расположены на расстоянии x = [8, 11, 15, 19, 22] мм от центра сварного шва. Частота тока возбуждения f=100кГц, Н=1,4кА/м, толщина стенки трубы – 8мм. Расхождение между экспериментальными данными и данными моделирования не превышает 20%.
Рис. 4 Приращение фазы сигнала ВТП на внутреннем дефекте в зависимости от удаления дефекта от центра сварного шва: a) экспериментальные; б) теоретические.
Рис. 5 Приращение фазы сигнала ВТП на поверхностном дефекте в зависимости от удаления дефекта от центра сварного шва: a) экспериментальные; б) теоретические.
На рис. 6 представлены расчетные значения приращения фазы сигнала ВТП на дефектах.
Параметры дефектов и их расположение соответствуют указанным выше. Из приведенных зависимостей видно, что оптимальной частотой для расчетного ВТП является 100кГц.
Рис. 6 Приращение фазы сигнала ВТП на поверхностном дефекте в зависимости от удаления дефекта от центра сварного шва при z=1,5 мм, Н =1,4 кА/м, для f=10 – 200кГц:
Предложен способ снижения погрешности оценки глубины дефекта, за счет учета неодно родности зоны термического влияния сварного шва при контроле в постоянном приложенном магнитном поле. Для повышения достоверности контроля производится коррекция выходного сигнала фазового канала. На первом шаге к исходному выходному сигналу прибавляется вноси мое искажение сигнала фазы, вызванное изменением магнитной проницаемости в области ЗТВ.
Для дальнейшего приближения зависимости изменения фазы сигнала СВТП к номинальному, применен метод «вычитания амплитуды сигнала» рис. 7.
Рис. 7 Приращение фазы сигнала ВТП на дефектах в зависимости от их удаления от центра сварного шва; скорректированные с учетом вносимого отклонения от изменения магнитной проницаемости ЗТВ и скорректированные методом «вычитания амплитуды»; кривая вносимого отклонения от (х) и кривая вносимого отклонения по методу «вычитания амплитуды»
В результате проведенных шагов коррекции выходного сигнала фазового канала значительно снижена погрешность оценки глубины дефекта (для поверхностной и внутренней трещины до 10%).
На рис. 8 представлены зависимости приведенной фазы сигнала ВТП *=изм/ном, где изм – приращение фазы на дефекте расположенном в околошовной зоне, ном – приращение фазы на дефекте с теми же параметрами, расположенном вне зоны влияния сварного шва.
Рис. 8 Приведенная фаза сигнала СВТП для поверхностного и внутреннего дефектов и скорректированные кривые с учетом (х) и по методу «вычитания амплитуды»
Разработана система намагничивания для вихретокового дефектоскопа ВД-90НП. Для подбора параметров намагничивающей системы использована методика, разработанная в ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр» под руководством Мужицкого В.Ф. В качестве критерия выбора оптимального межполюсного расстояния в П-образном магните взята степень неоднородности магнитного поля. На его основе установлено, что оптимальное межполюсное расстояние удовлетворяет условию 2p/2b3, где 2p – межполюсное расстояние, 2b – ширина полюса магнита. Оптимальные размеры полюсов П-образного магнита 2a2b удовлетворяющие приведенному условию обеспечивают напряженность магнитного поля более 90% от максимально возможного.
«