«Шубочкин Андрей Евгеньевич Развитие методов и средств вихретокового и магнитного контроля металлопроката для оценки его остаточного ресурса Специальность 05.11.13. – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, ...»

Первая опубликованная монография 1946 г полностью посвещенная вопросам дефектоскопии, структуроскопии и магнитным методом НК была написана Янусом Р.И. [4].

В основу труда лег опыт, накопленный советскими исследователями в сфере магнитной структуроскопии и дефектоскопии. В нем рассмотрены вопросы поиска несплошностей ферромагнитных металлов и сплавов, а также структурных неоднородностей в них. В монографии «Магнитная дефектоскопия» Янус свел вместе наиболее полное описание теории магнитного метода НК и внедрения на тот момент в различных отраслях промышленности магнитной структуроскопии и дефектоскопии. Обобщив известные факты и собственные наработки, он дал научное обоснование физики процессов магнитных измерений, используемых в промышленной дефектоскопии, а также привел основные принципы конструирования дефектоскопов различного назначения.

Основным направлением развития теории стало решение задач формирования магнитного поля дефекта. Постановку и решение подобных задач в общем виде Янус Р.И.

привел в своих работах [1 - 5]. Магнитное поле дефекта автор предложил определять по намагниченности материала объекта контроля (ОК) проводя оценку сформированного поля рассеивания. При этом учитываются значения как объемных, так и поверхностных зарядов.

Была предложена модель дефекта с аппроксимированным полем магнита эквивалентного форме и размерам. Намагниченность эквивалентного магнита принимается равной намагниченности материала ОК. Автором рассмотрены возможные допущения и приближения, применяемые в вычислениях и аналитических расчетах.

Аркадьев В.К. в своей статье о развитии теоретических основ магнитной дефектоскопии [6] предложил другой, ставший популярным, метод представления дефекта.

Он сформулировал основные задачи магнитной дефектоскопии и впервые показал, что поведение поля при наличии дефекта можно рассматривать по эквивалентной модели действия диполя при наличии поля. Эквивалентный диполь, в соответствии с методом, имеет момент аналогичный моменту дефекта. А геометрически он расположен в центре дефекта.

В 1938г. Была опубликована статья Вонсовского С.В. [7] в которой он изложил теоретические основы дефектоскопии, основанные на магнитном методе, и привел их простейшие расчеты.

Дальнейшим развитием теоретических основ магнитной дефектоскопии занимались советские ученые Сапожников А.Б. [11 - 16], Зацепин Н.Н. [17 - 26] и Щербинин В.Е. [19 и ряд других исследователей. Среди имен зарубежных ученых нельзя не отметить Фредерика Фёрстера [31 - 37].

В вышеперечисленных научных трудах в теоретических исследованиях были рассмотрены основные вопросы теории магнитного НК, такие как:

­ взаимосвязь характеристик приложенного магнитного поля со типов дефектов в зависимости характеристик ферромагнитных ОК.

Были проведены расчеты магнитного момента дефектов круглого и эллиптического цилиндров [11, 12, 16] и эллипсоидов [3, 6, 7, 16] Аналитические решения, полученные в приведенных работах, имеют ряд условий и допущений, таких как однородность среды ОК и намагничивающего поля; параллельность векторов магнитной индукции и напряженности магнитного поля, а так же независимость магнитной проницаемости среды от приложенного магнитного поля. Значительное место уделено вопросам, касающимся распределения напряженности поля рассеяния. Нахождение вторичного поля в рамках приведенных условий сводится к решению уравнений Лапласа для магнитостатического потенциала.

Предлагается воспользоваться методом Фурье Иной подход для определения магнитостатического потенциала предложен Гринбергом Г.А. [8 - 10]. Источники поля рассеяния представляются в виде фиктивных таких источников пропорциональна вектору нормальной составляющей напряженности магнитного поля всех этих источников. В дальнейшем, основываясь на его представлении, в работах [23, 30, 34 - 40] были исследованы распределение напряженности магнитного поля поверхностных дефектов. Кроме прямоугольного типа поверхностного дефекта, рассмотрены косоугольный и зубчатый дефекты. В [16] приведено решение задач о взаимодействии элементарных источников магнитного поля с ферромагнитным полупространством и распределении магнитного поля элементарных источников расположенных на оси цилиндрической ферромагнитной плоскости.

Большое число трудов посвещено вопросам формирование магнитного поля дефектов. Установлено, что оно определяется не только параметрами самих дефектов [1-14], но и нелинейностью магнитных свойств материала объекта. Нелинейность может определяться в зависимости от решаемой задачи в связи с влиянием поверхности ОК [2, 7 – 9, 24, 25, 27, 42, 43], образование в зоне дефекта магнитных зарядов [2, 3, 5, 28, 40] либо по намагниченности [2, 7, 13, 14, 40, 41, 44]. Получены результаты оценки составляющих напряженности вторичного поля дефекта [14, 28, 34, 38, 42] и значимость перечисленных факторов на поле дефекта [2, 7, 13, 29, 41, 42].

В 1952г. П.А. Халилеев и В.В. Власов при решении задачи контроля рельс создали индукционные искатели с возможностью визуализации результата при помощи киноленты.

Приборы широко применяли в вагонах-дефектоскопах.

Сотрудники Всесоюзного научно-исследовательского института строительства магистральных трубопроводов (ВНИИСТ) Маховер К.С. и Усенко К.В. разработали магнитографический метод неразрушающего контроля. В следующие годы к развитию метода подключились научные коллективы МВТУ им Н.Э. Баумана, АН БССР, в Институте физики металла Уро РАН, Белорусском политехническом институте, Шосткинском филиале НИКФИ, СКБ «Газприборавтоматика», и предприятия «Ростовэнергоремонт» и Калининградский экспериментальный завод. Благодаря работам Фалькевича А.С. и Хусанова М.Х. метод получил широкое распространение. В дальнейшем работы по оптимизации и усовершенствованию метода занималась плеяда ученых, среди которых были Голант Ю.Ш., Жолнерович О.А. Кашуба К.А., Козлов В.С., Михайлов С.П., Новиков А.Е., Фещенко Ю.Б., Шарова А.М., Щербинин В.Е., Щур М.Л.

Первые магнитографические дефектоскопы были созданы и внедрены для контроля сварных соединений под руководством Фалькевича А.С. уже в 1953г. А предложенная им конструкция магнитографического дефектоскопа с вращающейся магнитной головкой МД применяется в приборах данного типа по сегодняшний день.

намагничивающим полем и намагниченностью. Изучив его Мирошин показал, что если ОК внесенный в сильное постоянное магнитное контролировать при помощи дефектоскопа переменного поля, то становится возможным выявить дефекты не выходящие на поверхность В дальнейшем автор обосновал применимость мостовой схемы для задач измерения локальной намагниченности в ферромагнетиках.

Большое внимание уделялось задачам выявления трещинноподобных дефектов. Так Иванчиков В.И. предложил использовать для поиска открытых сквозных трещин в пластинах конечной постоянной толщины из токопроводящих материалов использовать поперечное переменное магнитное поле.

В 1954г. благодаря Янусу Р.И. появляется феррозондовый метод дефектоскопии примененный для диагностики деталей машин. Чуть позже в 1959г. для задач НК авиационной промышленности в ВИАМ Корсаковым В.В. был разработан феррозондовый полюсоискатель ФП-1.

Большой вклад в изучение полей рассеивания дефектов внес Власов В.В.

Основываясь на данных полученных при контроле новых (ненаклепанных) и бывших в употреблении (наклепанных) рельсах он установил, что на поля рассеяния поверхностного дефекта существенно влияют магнитные свойства материала вблизи поверхности изделия.

Так магнитожесткий материал у поверхности ОК способствует увеличению полей рассеивания у дефектов. Верно и обратное - наличие у поверхности мягкого в магнитном отношении слоя материала вызывает уменьшение поля дефекта. Власов В.В. также развил теорию Януса Р.И. в отношении внутренних дефектов магнитных металлов [45]. Им установлено, что для магнитостатики поле дефекта несплошности создается не только поверхностными зарядами на стенках дефекта, но и объемными зарядами, вызванными магнитной нелинейностью материала ОК в ближайших к дефекту участках металла. При изучении полей рассеяния от наружных и внутренних дефектов В.В. Власов [45] подтвердил и развил ряд положений теории магнитостатики Януса Р.И. Так же он определил, что для магнитных полей, величина которых намного превышает поле, соответствующее максимальной магнитной проницаемости материала ОК, наличие объемных зарядов может уменьшить поле дефекта.

Ершов Р.Е., взяв в основу идеи и наработки Януса Р.И, и Сапожникова А.Б., решил задачу определения искажения магнитного поля ферримагнитного материала при нелинейности магнитных свойств ферримагнитной среды в области средних и сильных магнитных полей вызванное наличием дефекта несплошности типа поперечной трещины [41, 46].

Кашуба Л.А. Они установили, что параметры поля вызванное наличием дефекта соответствует параметрам самого протяженного дефекта.

Бурное развитие микропроцессорной электроники на рубеже тысячелетий дало свой отголосок и в практике применения приборов магнитной дефектоскопии. Это позволило решать обратные задачи для разработки численных методов определения параметров дефектов. Задачи решались с использованием результатов измерения характеристик поля рассеяния. В том числе в работе Щура М.Л. и Щербинина В.Е. [40] была рассмотрена важнейшая задача определения геометрических параметров поверхностных дефектов по их магнитному полю. Достаточно много работ того времени посвещены исследованиям способам определения размеров дефектов [47 - 49, 50] на основе решения задачи Неймана касательно магнитного поля рассеяния.

В целом ряде задач [2, 11, 16, 23, 28, 30 – 33, 34-42, 44, 46, 52] внимание авторов обращено на анализ характеристик обобщенной исследуемой модели типа: открытая или закрытая полость в ферромагнитной среде, в режиме намагничивания однородным магнитным полем. При этом, в задачах, где ферромагнетик или некий исследуемый автором объект имеет поверхность раздела сред, направление вектора напряженности намагничивающего поля лежит в плоскости параллельной поверхности ОК.

В 1960 г. Зацепиным Н.Н. и Щербининым В.Е. был разработан феррозондовый метод контроля сварных швов. В своих работах они приводят метод теоретического расчета поля дефекта в трехмерном пространстве. Также они подробно описали особенности составляющих магнитного поля обусловленного наличием различных поверхностных дефектов [19 – 25].

На основании этой обобщенной модели были проведены многочисленные экспериментальные исследования. В них рассматривались основные классы встречающихся на практике дефектов. Наибольшее внимание было уделено исследованию магнитных свойств искусственных поверхностных пазов с различным раскрытием [15, 18, 24, 25, 27, 26, 46, 41] и естественным дефектам [17, 38, 53]. Другие работы рассматривают варианты исследований магнитного поля при наличии в ОК цилиндрических полостей [11,29].

Способы достижения однородности магнитного поля для режимов параллельного намагничивания ОК в основном при использовании приставных магнитов или электромагнитов подробно разобраны в работах [38, 41, 45, 46, 51, 54, 55]. Также приведены описания применения и других типов намагничивания, таких как пропускание электрического тока по изделию или по стержню внутри изделия [25 – 27, 29, 55].

практически оптимальными условиями для выявляемости приведенных выше типов дефектов. Условие постоянства напряженности приложенного намагничивающего поля обеспечивает относительную простоту настройки магниточувствительных элементов, используемых для сканирования поверхности ОК. В случаях, когда достигается параллельность между вектором напряженности магнитного поля и плоскостью соответствующей поверхности ОК достигаются оптимальные условия для равномерного намагничивания металла образца до режима непосредственно близкого к магнитному насыщению материала.

Оптимальность приведенных условий для намагничивания изделий сложной формы сложно достижима, поскольку нарушается неоднородностями намагниченности материала.

Тоже касается и концевых зон изделий и малогабаритных изделий. Это является еще одним из факторов, влияющих на появление магнитных помех в контролирующих элементах, применяемых для измерения характеристик поля дефекта [26].

На практике снижение влияния магнитных полей вызывающих помехи измерения достигается исключением условий их формирования либо осуществляя значительное уменьшение габаритов зоны намагничивания ОК. При этом возникает инженерная задача компромисса, поскольку с уменьшением зоны намагничивания возрастает неоднородность напряженности магнитного поля. Что в свою очередь негативно сказывается на равномерность показаний в зоне измерений преобразователей и появление связанных с этим ошибок в оценке габаритных размеров выявленных несплошностей. Следует учитывать, что условия регистрации дефектов значительно влияют на оценку их параметров в условиях локального намагничивания, и могут значительно отличаться от результатов, полученных в приведенных выше работах и исследованиях для оптимальной модели.

Экспериментальные исследования, направленные на развитие магнитного метода НК, не только ориентированы на подтверждение теоретических выкладок [11, 15, 18, 24, 41], но и посвещены решению ряда важных вопросов, как:

селективность магнитного контроля [20 – 22, 26], способы и методики намагничивания ОК [21, 27, 41, 46, 52, 55], вопросы выявления границ контролируемого изделия [29, 38, 41, 46], параметры соответствия магнитных поля естественных и искусственных дефектов [17, 43] при различных условиях контроля.

В последние годы появились малогабаритные магниточувствительные элементы [19, 40], которые позволяют обеспечить необходимую точность измерения магнитных величин ОК. Кроме того использование микропроцессорной техники [56, 57] позволило перейти к ориентированных на развитие этого направления магнитного метода НК [19, 27, 49, 50, 51, 58]. В этих работах основной упор сделан на снижение погрешностей измерения за счет учета закономерностей формирования магнитного поля дефектов. Также проведены исследования значимых факторов влияющих на формирование магнитного поля дефектов.

Основные положения научных работ позволили при решении практических задач дефектометрии не только оптимизировать непосредственно процесс контроля, но и приступить к аналитической обработки результатов измерений в реальном времени входе проведения магнитного контроля.

НИИ интроскопии долгие годы с успехом внедряет аппаратуру магнитного метода НК. Так уже в конце 60-х сотрудниками института Хватовым Л.А., Симоновой Е.Я., Семеновым О.С., Калининым Ю.С. и др. под руководством Клюева В.В. были разработаны дефектоскопические автоматические установки ДФ-1, УПН-3 [59], «Лист-4» [60], УРКТ и др.

предназначенные для контроля холоднокатаных листов и горячекатаных труб. Позже они были внедрены на металлургических заводах, среди которых Магнитогорский металлургический комбинат, Ждановский металлургический завод и Первоуральский Новотрубный завод А уже с начала 70-х в НИИИН МНПО «Спектр» преступили к серийному выпуску линейки магнитных дефектоскопов МД-3М, МД-40К, МД-42К, разработка которых под руководством Клюев В.В велась Дегтяревым А.П., Мужицким В.Ф. и другими сотрудниками.

Развитие трубопроводного транспорта поставило перед учеными и инженерами новые задачи, требующие применения наряду с другими методами НК и магнитного метода контроля В 1976г. над задачей по решению контроля коррозионного состояния магистральных газопроводов большого диаметра (1420мм) начали работать целый ряд научных коллективов и исследовательских центров по заданию Гос. Комитета по науке и технике В работу поступили проекты первых внутритрубных снарядов-дефектоскопов.

Проект имел важнейшее государственное значение и работы возглавила Академия наук СССР под патронажем министерств Приборостроения и Газовой промышленности.

Разработку вели научные коллективы Института физики металлов Уральского отделения АН СССР и Московское специализированное конструкторское бюро «Газавтоматика», а так же филиал «Газавтоматики» в г.Саратов.

В практике магнитного контроля используются не только магнитные, но и электромагнитные дефектоскопы.

использования для контроля изделий сложных форм, поскольку они допускают портативное исполнение и высокое быстродействие. Однако миниатюризация приборов приводит и к появлению очень значительного их недостатка, а именно малая глубина проникновения поля в металл ОК, что приводит к уменьшению глубины выявления дефектов, не выходящих на поверхность. Таким образом, снижается круг задач (область применения) решаемых с помощью подобных дефектоскопов.

Магнитные дефектоскопы применяются, прежде всего, при контроле изделий имеющие плоскую поверхность и простую форму [61], а также крупногабаритные изделия цилиндрической формы [56, 59, 60, 62 – 64, 65 – 68]. Для достижения достаточной глубины выявления скрытых дефектов приходится заметно увеличивать габаритные размеры намагничивающих систем, что является основным их недостатком и также влияет негативно на широту области применения, такого типа оборудования. Определенная сложность возникает и при использовании с такими приборами в качестве первичных преобразователей магниточувствительных элементов.

Необходимость создания достаточно габаритных систем проистекает от двух основополагающих требований магнитного метода, а именно оптимальность способа намагничивания, что достигается параллельностью вектора напряженности магнитного поля контролируемой поверхности. Второе требование – достаточная мощность системы намагничивания для достижения глубины промагничивания ОК [41, 46, 52].

Магнитный метод НК на сегодняшний день представляет собой хорошо исследованный и обоснованный многочисленными научными исследованиями и расчетами метод. Однако особенности его применения ограничены достаточно узким кругом практически реализуемых задач.

Из вышеприведенного материала об уровне развития магнитной дефектоскопии металлоизделий различных отраслей следует, что сегодня область применения магнитного метода дефектоскопии и основное направление научных изысканий сводится к использованию параллельного способа намагничивания. Круг задач, работ и исследований, описывающих неоднородное магнитное поле, обусловлено лишь локальным намагничиванием ОК [45, 52, 54, 55, 64 – 66], и по своей сути является все тем же параллельным намагничиванием под влиянием различных факторов.

В мировой практике принято выделять в отдельный метод, так называемый метод полей рассеяния – MFL.

История становления и развития этого способа магнитного контроля на зарубежном рынке начинается в XIX веке.

1868 году Институтом «Naval Architects» Англия. С его помощью в намагниченном стволе пушки были найдены дефекты [69, 70]. Метод контроля магнитными частицами [71] был практически случайно открыт в 1918 году. Тогда с помощью магнитных частиц (мелкодисперсной железной стружки) было проверено исследование изменения магнитного потока при наличии поверхностного дефекта. Полученные положительные результаты уже вскоре позволили начать разработку промышленно применимого магнитного метода НК.

Одной из первых компаний вышедшей на рынок и существующей и сегодня стала «Magnaflux Corporation». «Magnaflux» была образована в 1934 году и стала одной из первых компаний поставляющей магнитных частиц для дефектоскопии. Она и сегодня остается одним из основных мировых поставщиков инспекционного оборудования для использования при проведении дефектоскопии магнитным методом [72].

Впервые метод MFL был введен в 1965 году компанией «Tuboscope» [73] для проведения контроля трубопроводов. Начиная с этого времени оборудование, основанное на MFL технологии, получило признание по всему миру, в том числе и со стороны газотранспортной и добывающей промышленности. Сегодня MFL являются одним из самых известных и эффективных средств доступных эксплуатирующим компаниям для поведения оперативной проверки продуктопроводов, в том числе и газовых магистральных трубопроводов, имеющих важнейшее значение в экономике многих стран.

Магнитопорошковый метод НК и MFL системы инспекции основаны на одних и тех же физических принципах. Основное различие между MFL и магнитной дефектоскопии частицами заключается в способе визуализации искажений магнитного поля вблизи дефекта.

Разнообразные MFL преобразователи разработанные с 20-х годов прошлого века измеряют магнитное поле вокруг дефекта и позволяют получить количественные показатели. Однако, имея определенные (конечные) габаритные размеры магниточувствительных элементов они значительно уступают магнитопорошковому методу в разрешающей способности. Кроме того преобразователи способны проводит контроль лишь с некоторым технологическим зазором, что также способствует снижению выявляемости коротких и неглубоких трещиноподобных дефектов металлопроката и в других деталях используемых в машиностроении. Магнитопорошковый метод контроля, имея наилучшую разрешающую способность среди магнитных методов контроля, но имеет несколько недостатков, таких как наличие расходного материала, высокая трудоемкость, невозможность оценки глубины и высокие требования к уровню персонала. Развитие цифровой фото и видео техники сегодня делают возможным автоматизацию магнитопорошкового метода контроля. При этом необходимо решить сложную научную задачу выделения образа дефекта из массива данных.

вихретокового метода НК, который занимает одно из ведущих мест среди методов, используемых для контроля металлоизделий, в том числе и сортового металлопроката.

производительность контроля, возможность автоматизации, как самого процесса, так и обработки его результатов, независимость результатов контроля от параметров окружающей среды (температура, давление, влажность и т.д.) Безопасность проводимого контроля и преобразователя (ВТП) и контролируемой поверхности, относительная простота конструкции ВТП и их повторяемость.

Дефектоскопия вихретоковым методом НК основывается на анализе распределения электромагнитных полей в ОК зависящих от наличия локальных неоднородностей в них.

Расчет таких полей в общем случае очень трудоемок. Он относится к числу сложных краевых задач электродинамики. Представляет собой задачу определения функций трехмерных векторов в условиях многосвязных областей и, в общем случае, границы раздела таких областей имеют разнообразную форму, что привносит дополнительные трудности в математическом описании процессов.

Советская, а затем и российская история развития вихретокового метода НК и вихретоковой дефектоскопии представлена плеядой ученых и инженеров.

Первые фундаментальные теоретические работы посвещенные непосредственно вихретоковому методу НК принадлежат Сапожникову А.Б. и его ученикам [74, 75].

Основываясь на экспериментальных исследованиях, Сапожниковым А.Б. были обобщены и использовании переменных магнитных полей [75].

однородного переменного поля в металлическом параллелепипеде конечного размера, при распространении поля в направлении перпендикулярном торцевым сторонам [76].

В своей работе Михановский В.И. приводит решение задачи расчета магнитного поля малого дефекта в ОК типа ферромагнитный цилиндр с малым дефектом произвольной формы [77]. Автор представляет дефект как локальную неоднородность удельной электрической проводимости и приводит расчет с использованием интегральнодифференциальных уравнений метода возмущений. Полученные результаты не позволяют в полной мере оценить величину поля дефекта, однако в работе получены результаты, ЭДС.

Исследование сквозной трещины в пластине конечной толщины и бесконечной длинны и ширины провел Кессених В.Н. Он рассчитал влияние трещины на однородное магнитное поле приложенное к ОК использовав метод решения интегральнодифференциального уравнения [78].

В дальнейшем работу Кессениха В.Н. продолжил и развил Шилов Н.М. Он предложил перейти от решения интегрального уравнения к системе алгебраических уравнений, что позволило ему рассмотреть приближенно задачу расчета поперечного переменного поля в пластине. При решении автор использовал представление ОК в виде конечной системы контуров [79].

Плотность периферийных токов, влияние которых следует учитывать при рассмотрении общей картины поля дефекта в своем труде [80] рассмотрели Комаров В.А.и Власов В.В. В работе получена физическая карта вихревых токов формирующих поле дефекта.

Первой работой, в которой достаточно подробно и качественно представлена картина распределения вихревых токов при наличии дефекта в ОК возбуждаемых ВТП накладного типа, стал труд Власова В.В. и Комаров В.А. [81]. Ими показана общность параметров распределения токов вдоль дефекта магнитных и немагнитных материалов, при прочих равных условиях.

В своих следующих работах Власов В.В. совместно с Бурцевой В.А. предложили вариант формализации магнитного поля дефекта, обусловленного вихревыми токами, в котором для качественной оценки параметров поля применялись уравнения двухпроводной линии [82, 83].

Также Власовым В.В. в работе [82] было показано, что при наличии в металле ОК дефекта, в его поперечном сечении распределения тангенциальной составляющей и нормальной составляющей магнитостатического поля дефекта качественно совпадают между собой.

Зацепин Н.Н. провел исследования распределения вихревых токов в зоне расположения дефекта и показал, что поля ими обусловленные определяется в окружающей среде электромагнитными свойствами не только материала исследуемой детали, но и параметрами дефекта.

Работа Зацепина Н.Н. [84] посвещена распространенной задаче поиска поверхностных продольных дефектов при контроле проводящих изделий цилиндрической формы. Рассмотрена топография магнитного поля вихревых токов над продольным феррозондовые преобразователи. Автором показано, что при подобном способе возбуждения вихревых токов в образце наличие дефекта в контролируемой зоне приводит к изменению магнитного поля, при этом поле распределяется следующим образом: часть поля обтекает дефект в материале ОК, другая выходит на поверхность, при этом изменяется плотность вихревых токов.

дефектоскопии только после достаточного развития компьютерной и микропроцессорной техники. В работах [85, 86, 87] Герасимова В.Г., Сухорукова В.В. и др. приводятся возможные варианты применения этого математического аппарата применительно к решениям задач основанных на взаимодействие дефектов и электромагнитных полей.

Сухоруков В.В. в работе [88] применил метод сеток для исследования применения проходных ВТП для задач поиска ряда характерных типов дефектов.

Шкатов П.Н. представил в [89] свою теорию возмущения границ раздела сред направленную для решения задач в области однородных электромагнитных полей. В ней решение задачи сводится к численному анализу интегрального уравнения применительно к дефектам типа бесконечной узкой трещины в виде прямоугольной прорези.

Применение численных методов обычно ограничивалось решением двухмерных задач [93, 94, 95]. В работах Дорофеева А.Л. и др. использовались метод интегральных уравнений (МИУ) и метода конечных элементов (МКЭ).

В работах ученых Клюева В.В. [90] и Беды П.И. [91, 92] приведены данные полученные при проведении экспериментальных исследовании топографии магнитного поля дефекта вызванного приложенным переменным полем.

Авторы исследовали применение вихретоковой дефектоскопии для различных задач и типов ОК. Для их решения разрабатывались упрощающие модели. Так Тетерко А.Я. в своей работе [96] представил модель ОК в виде полупространства. В рассмотренной модели дефект представлен в виде цилиндрической прорези бесконечной длины. В модели учитывалось продольное распространение однородного электромагнитного поля.

Модель Власова В.В. [97] рассматривала поле дефекта в виде прямоугольной ферромагнитного материала. Поле наводилось круглым витком с током, расположенным в параллельной плоскости над поверхностью полупространства.

теоретических основ вихретоковой дефектоскопии [98, 99, 100]. Им были предложенные задач вихретокового и магнитного контроля изделий сложной формы. Интересными решениями стали разработанные им алгоритмы расчета параметров ВТП методами квазиконформных отображений. К особенностям методов можно отнести использование преобразователей с произвольным сечением обмоток применяющихся для целее дефектоскопии.

Трехмерная математическая модель, предложенная Мужицким В.Ф. [101-103], основана на замещении поверхностными токами, протекающими по граням прямоугольного узкого дефекта, поверхностных зарядов.

дефектоскопии используя строгий расчет электромагнитного поля ВТП накладного типа [104, 105]. В приведенной модели рассматривается в качестве ОК металлический лист в котором обнаруживаются как поверхностные, так и внутренние дефекты произвольной формы. Накладное ВТП рассматривается им по методике Власов В.В как двухпроводная линия. Решение поставленной задачи сводится к системе интегральных уравнений с применением функций Грина. Развитие цифровой техники и ЭВМ позволило решать такую систему уравнений с использованием численных методов расчета.

Большой вклад в развитие теории и практики вихретокового метода дефектоскопии внес Сухоруков В.В. Используя аналитические и численные методы он выполнил решения целого ряд линейных и нелинейных краевых задач теории электромагнитной дефектоскопии.

Им проведенные расчеты касательно задач определения параметров статических сигналов от наличия дефектов в трубах [106]. Также он исследовал возможности вихретокового метода контроля для определения параметров коротких труб [107]. Сухоруковым В.В. были впервые разработаны специализированные «модели-аналоги» примененные для решения краевых задач вихретоковой и магнитной дефектоскопии.

Влиянию параметров дефекта топографии магнитного поля посвещена работа Пашагина А.И. [108]. Экспериментальные исследования автора направлены на определение значимости влияния частоты намагничивающего поля при контроле дефектов в ферромагнитных материалах.

Вихретоковый метод дефектоскопии характеризуется большим количеством разнообразных типов и размеров вихретоковых преобразователей. На всем протяжении развития метода теоретическим исследованиям ВТП занимались практически все исследователи и ученые так или иначе связанные с вихретоковым методом НК. Среди них значительный интерес вызывают работы Сапожникова А.Б. [75], Зацепина Н.Н. [84] Герасимова В.Г. [109], Клюева В.В. [90, 113, 114]. Среди зарубежных авторов значительный интерес представляют работы Дорофеева А.Л. [111], Лещенко И.Г. [112], Родигина Н.М. [115], Шатерникова В.Е. [117], Шкарлета Ю.М. [118] и др.

Рассмотренные авторами математические модели имеет неоспоримую практическую ценность для разработчиков вихретоковых дефектоскопов. Многообразие самих моделей и вариантов их расчетов обусловлено значительной сложностью и вариативностью ВТП и влияния на них дефектов разнообразной формы.

В большинстве вышеприведенных работ, рассматривающих разнообразные модели дефектов, краевые задачи решаются методом разделения переменных. Среди наиболее распространенных моделей можно перечислить модели с накладным витком с током над плоским многослойным проводящим ОК; ОК в виде многослойного проводящего цилиндра в поле проходного витка с током; виток с током над или внутри электропроводящей многослойной сферы и т.п.

Широкое распространение в практике вихретоковой дефектоскопии имеют накладные преобразователи. Соболев В.С. в своей работе рассматривает накладные ВТП цилиндрической формы [120]. В ней он приводит точные расчеты витка с током, проведенные при помощи расчетов на ЭВМ. Расчет вносимого комплексного сопротивления в круглый виток с током лег в основу его работы посвещенной анализу модели описывающей проводящую сферу в приложенном поле витка с током [121].

Значительным вкладом в исследование электромагнитного поля стала модель Шкарлета Ю.М., описывающая плоский двухслойный проводящий объект в приложенном поле ВТП представленном в виде витка с током. Автором были предложены эффективные методы приближенного расчета накладных ВТП и ВТП экранного типа, позволившие также выделить закономерности распределения электромагнитного поля ВТП для исследуемой модели. Шкарлет Ю.М, обогатил метод и решением прикладных задач, в том числе и методами обработки сигналов ВТП [118, 119].

Всестороннее исследование процесса вихретокового контроля изделий сложной формы провел Шатерников В.Е. и его последователи. Одной из сложных задач, решением которой он занимался, стала модель описывающая проводящий сфероид в поле вращения. В дальнейшем модель была расширена до описания набора сфероидов в поле накладного витка с током. Расчеты вносимого ЭДС, построенные по полученным результатам годографы и исследование влияния параметров ОК на выходной сигнал преобразователя представлены Шатерниковым В.Е. в ряде работ [98, 99, 117]. Основываясь на результатах проведенных исследований им были разработаны оптимальные конструкции ВТП по критериям локальности зоны контроля. Автором были предложены и реализованы конструкции ВТП температурах. Он занимался многоцелевыми приборами вихретокового контроля и измерителями геометрических параметров изделий сложной формы.

Созданию многочастотных вихретоковых и магнитных дефектоскопов была посвещена работа Тетерко А.Я. [96]. В ней он рассматривает аспекты создания ВТП и приводит решения задач отстройки от ряда влияющих факторов. Цели работы направлены на повышение точности контроля изделий из проводящих немагнитных материалов, и определению параметров как поверхностных и подповерхностных дефектов, так и внутренних.

Определенный интерес представляют адаптивные средства неразрушающего контроля. В частности Ивченко А.В. занимался практикой дефектоскопии с применением адаптивных вихретоковых дефектоскопов [122]. Адаптивность разработанного им одночастотного вихретокового дефектоскопа заключалась в автоматически устанавливающийся рабочей частоте ВТП. При этом показания прибора от выявляемых коррозионных поражений немагнитной металлической обшивки летательных средств оставалась неизменной при вариации толщины контролируемого материала и толщины непроводящего защитного покрытия на внешней стороне контролируемого объекта. При решении проблемы определения оптимальной рабочей частоты ВТП и повышении точности измерения размеров коррозионных поражений, автором рассматривались лишь три влияющих фактора, как то: толщина ОК; величина зазора между ВТП и поверхностью ОК, включающего технологический, воздушный зазоры и толщину непроводящего покрытия; и глубину залегания дефектов.

дефектоскопии являются разнообразные нарушения сплошности контролируемого материала. Большое количество вопросов и задач возникающие перед исследователями в этой области вихретокового контроля привело к созданию целостной теории, описывающей закономерности распределения электромагнитного поля в изделиях различной геометрии.

Свои работы посветили такие ученые, как немецкий основоположник теории вихретокового контроля Фредерик Ферстер [123], так и наши соотечественники: Беда П.И. [91, 92], Зацепин Н.Н. [124], Дорофеев А.Л. [126, 127, 128], Федосенко Ю.К. [125], Мужицкий В.Ф.

[101], Сухоруков В.В. [106]. В своих трудах они рассматривают вопросы, связанные с обнаружением дефектов металла типа нарушение сплошности. Выведены закономерности распределения переменного электромагнитного поля при наличии трещиноподобных дефектов и несплошностей различных форм. Теоретически и экспериментально получены годографы вносимых напряжений характеризующих различные режимы проведения особенностей ВТП. Разработаны различные методики по увеличению отношения сигналшум и выделению информотивных сигналов.

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований была построена комплексная теория распределения электромагнитных полей сосредоточенных источников. В ней описаны методы контроля многослойных изделий разнообразной формы, как то: изделия плоской, цилиндрической, сферической, эллиптической и прочие. Были разработаны точные и приближенные методы расчетов различных моделей ВТП, в том числе для контроля многослойного плоского проводящего объекта накладным преобразователем в виде витка с током; модель проходного ВТП в виде витка стоком для контроля протяженных многослойных проводящих цилиндров; сферические проводящие ОК в поле витка с током и т.д.

В практику вихретокового контроля и дефектоскопии были внедрены способы обработки информативных сигналов. Наиболее широкое распространение в промышленности на сегодняшний день получили: амплитудно-фазовый и фазовый способы.

зарубежными учеными были предложены значительное количество и других методов обработки сигналов ВТП. Среди них можно привести переменно-частотный, мультичастотный, модуляционный, автогенераторный и т.д., позволяющие используя отстройку от мешающих факторов выделять информативную составляющую сигналов первичных вихретоковых преобразователей.

- 29 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВИХРЕТОКОВОГО И

МАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ

Быстродействие компьютеров позволяет сегодня проводить моделирование, используя математику численных методов, широкому кругу исследователей и разработчиков. С их помощью, возможно, смоделировать распределение электромагнитных полей от известного источника в объектах геометрически сложной формы. Что позволяет, изменяя параметры воздействия, оценить оптимальность выбранного метода контроля и его характеристик, подобрать компромиссные параметры контроля и обеспечить его максимальную эффективность. При неизменном воздействии, возможно отслеживать искажения топографии полей, вызванных изменением геометрии или характеристик объекта контроля.

электромагнитных поля. Они значительно различаются как по своим возможностям (точности, дискретности, мощности вычислительных систем), так и по сложности их практической реализации. Наибольшее распространение для решения инженерных задач получили следующие численные методы, применяемые на практике:

метод конечных разностей (МКР);

метод конечных элементов (МКЭ);

метод граничных элементов (МГЭ);

метод интегральных уравнений (МИУ);

метод эквивалентных зарядов (МЭЗ);

гибридный метод.

линейных алгебраических уравнений. Методы отличаются между собой способом учета граничных условий, способом составления системы уравнений, видом и размерностью матрицы коэффициентов полученной системы. Саму процедуру можно условно разбить на три основных этапа.

Первым этапом является выбор метода и составление расчётной модели объекта, описывающей его основные физические и технические характеристики. При этом определяют, какими элементами в расчетной модели можно пренебречь, поскольку в интересующей области их влияние не значительно. К этому этапу относится также определение части расчётной области, подлежащей детальному изучению, и исследуемых в ней характеристик поля. Также определяют иные принимаемые допущения, к которым относится предположение линейности характеристик окружающей среды, симметричности области объекта моделирования и т.п. Второй этап – это непосредственно расчёт при помощи выбранного метода параметров электромагнитного поля в заданной расчётной области. На третьем этапе производится обработка и анализ полученных результатов расчёта. Для этого строятся распределения параметров поля в расчётной области, силовые линии для двухмерных моделей и эквипотенциальные плоскости для трехмерных. Затем выполняется первичный анализ полученных данных, предусматривающий сопоставление полученных значений с ожидаемыми либо экспериментальными значениями.

Метод конечных разностей (МКР) или метод сеток [129] – старейший и относительно простой метод, поскольку требует минимальной математической работы. В этом методе, в зависимости от размерности задачи, исследуемая область разбивается двумерной или трехмерной сеткой. Частные производные в уравнениях заменяются соответствующими им конечно-разностными аппроксимациями на прямоугольной конечноразностной сетке. В результате получается система алгебраических уравнений относительно неизвестных потенциалов в узлах сетки. Матрица коэффициентов получаемого матричного уравнения содержит большое количество нулевых элементов. Недостатками МКР являются необходимость применения методов хранения слабо заполненных матриц (приведение матрицы к ленточному виду, методы факторизации и др.), а также сложностью описания криволинейных поверхностей тел из-за применения прямоугольной конечно-разностной сетки.

Метод конечных элементов (МКЭ) сегодня приобрел наиболее широкое распространение [130]. Его популярность обусловлена возможностью описания криволинейных границ области любой сложности, учета граничных условий различных типов и расчёта поля с объемным зарядом, автоматическим расчётом значений потенциала точке области. Основан МКЭ на интегральной формулировке граничной задачи.

Исследуемая область делится на плоские или объемные элементы (в зависимости от размерности задачи), в которых распределение поля аппроксимируется полиномами.

Формирование и решение системы линейных алгебраических уравнений и являются основными этапами решения задачи МКЭ. Системы уравнения в МКЭ обычно имеют высокий порядок. Именно необходимость построения сложных сеток с большим числом узлов препятствует применению метода для расчета полей в сложных областях. Основное преимущество МКЭ перед МКР в его гибкости, так как с его помощью учитываются сложные границы. Метод обеспечивает прекрасные возможности по визуализации результатов. К недостаткам МКЭ можно отнести трудоемкость расчета сетки элементов (требователен к мощности ЭВМ), поскольку она создается во всем объеме (области). Его применение приводит к заметным погрешностям расчёта вблизи поверхностей, что не характерно для интегральных методов, которые во всей расчётной области дают одинаковые погрешности. Также МКЭ не позволяет рассчитывать поля в неограниченном пространстве и для решения некоторых задач МКЭ, приходится вводить ограничения на расчетную область, при этом задавая на введенных фиктивных границах нулевые граничные условия 1-го или 2го рода.

Метод граничных элементов (МГЭ) [131] в отличие от МКЭ представляет собой соединение двух решений краевых задач дифференциальных уравнений с частными производными. На первом этапе производится сведение краевых задач к эквивалентным интегральным уравнениям. А затем при помощи функций формы подобно МКЭ проводится аппроксимация решений. В МГЭ уравнения поля интегрируется относительно неизвестных функций поля на границе, а отдельные элементы границы аппроксимируются полиномами.

Преимуществом МГЭ является уменьшение размерности задачи по сравнению с МКЭ.

Недостаток МГЭ – оперирование несимметричными матрицами с коэффициентами, вычисляемыми путем численного интегрирования.

распределения заряда по поверхностям электродов системой фиктивных зарядов, размещенных на поверхностях или внутри тел полеобразующей системы. Т.е. в рамках интегральных численных методов на основании граничных условий вычисляется аппроксимация распределения источников поля по поверхностям исследуемого объекта.

Суть МИУ состоит в замещении распределения заряда по поверхностям объекта простыми слоями распределённых по ним зарядов, которые определяются граничными условиями.

Основное достоинство метода интегральных уравнений - высокая точность получаемых МГЭ, заключается в том, что он требует только дискретизации границ тел системы и ему не требуется сетка в пространстве. В определенных задача данное преимущество оказывается и наибольшим недостатком метода. Т.е. если при решении задачи не требуется анализировать поле во всем пространстве и число расчетных точек не велико, то решение может быть получено без дополнительных ограничений. Данная особенность метода затрудняет его визуализацию в компьютерных приложениях.

Метод эквивалентных зарядов (МЭЗ) является упрощённым вариантом МИУ. Он состоит в замещении распределения заряда по поверхностям тел системой размещенных внутри них эквивалентных зарядов, чьи значения находятся из граничных условий. Поле в любой точке межэлектродного промежутка вычисляется в соответствии с принципом наложения полей дискретных эквивалентных зарядов. Расчет не требует численного интегрирования. Преимущества и недостатки МИУ справедливы и для МЭЗ. Однако в задачах с простой геометрией тел данный метод наиболее экономичен среди вышеперечисленных.

Отдельно надо отметить получивший значительное развитие в последние годы гибридный метод. Свое название он приобрел из-за того что при его использовании для решения конкретной задачи производится выбор из двух численных методов МГЭ и МКЭ с одним решающим устройством. Более того они могут сочетаться в зависимости от геометрии объекта и линейности характеристик пространственных величин. Для линейных величин предполагается использование стратегии МГЭ и МКЭ в нелинейных областях.

Концепцию расчета полей посредством гибридных методов представляется наиболее перспективной, но пока ее применение ограничивается требовательностью к компьютерным ресурсам.

Метод граничных элементов (МГЭ) Boundary Element Method (BEM). Первые публикации посвященные методу граничных элементов (МГЭ) относятся к середине 70-х годов. Сам термин "граничные элементы" впервые был введен в работах С. Бреббия [132, 133], Бенерджи П. [134], и других авторов была дана классификация методов, МГЭ был выделен среди прочих численных методов. Немного позже эта работа была расширена за счет включения нелинейных и динамических задач. [135].

Любой из трех вышеперечисленных методов предназначен для решения одного и того же круга задач неразрушающего контроля. Преимущества, как и недостатки, каждого из них не столь абсолютны. При решении задачи огромное значение имеет качество составленных моделей и алгоритмов, а так же временные затраты, приемлемые проведения для максимально точного расчета [136…138]. При выборе метода расчета стоит решения общих задач, так и специализированных. Такие программы значительно облегчают процесс моделирования посредством продуманного интерфейса и предустановленных библиотек материалов, а иногда и типовых зондов.

На сегодняшний день большинство фирм применяют системы автоматизации инженерных расчетов. По мировой классификации общее название для программных пакетов и программ, предназначенных для решения инженерных задач: расчётов, анализа и симуляции физических процессов и полей называются CAE (англ. Computer-aided engineering). Наиболее применяемыми САЕ-системами для моделирования и анализа электромагнитных полей относятся программные продукты нижеследующих фирм:

ANSYS inc. (США) (http://www.ansys.com) – на сегодняшний день мировой лидер в области систем CAE. 1 августа 2008г. ею была поглощена корпорация Ansoft. Объединив свои разработки компания представляет программный продукт ANSYS 15.0 [139].

Unigraphics, CATIA, Pro/ENGINEER, SolidEdge, SolidWorks, Autodesk Inventor и некоторыми другими. По своей структуре она состоит из большого числа модулей адаптированных под конкретные инженерные задачи. Для решения задач ВК предлагаются нижеследующие модули:

ANSYS MULTIPHYSICS – универсальный модуль для решения комплексных задач, включающих анализ структуры, тепловой расчет, высоко- и низкочастотный анализ электромагнитных полей. Модуль также позволяет решать сочетания, как для прямых, так и последовательных физических задач, в том числе, сочетания полей и элементов.

ANSYS MAXWELL – программный пакет использующий метод конечных элементов для решения изменяющихся во времени электромагнитных и электрических полей, частотных и статических задач. Модуль предназначен для анализа двухмерных и трехмерного проектирования и анализа электромагнитных и электромеханических устройств, в том числе трансформаторов, зондов и катушек. Основным преимуществом ANSYS MAXWELL является его автоматизированный процесс решения, от пользователя требуется задать только геометрию, свойства материалов и запросить желаемый результат.

MAXWELL автоматически генерирует сетки для решения поставленной задачи.

ANSYS PExprt трансформаторов и катушек индуктивности. Используя сочетание классического анализа и анализа методом конечных элементов. ANSYS PExprt определяет необходимые размеры и форму, воздушные зазоры и обмотки для заданной силовой преобразовательной топологии.

Затем пользователи могут оценивать результат в ANSYS Maxwell, чтобы посмотреть в такие Эквивалентная модель может быть автоматически создана для оценки магнитного поля в реальной схеме, используя ANSYS Simplorer. Все это помогает достичь оптимальной надежности и производительности магнитной составляющей и устраняет несколько итераций прототипирования.

использованием большого числа технологий моделирования, что позволяет смоделировать сложные электронные и электрически управляемые системы.

Cobham Technical Services - компания с 80-летней историей инжиниринговых работ в авиапромышленности и Vector Fields Software в течение последних 25 лет разрабатывают и улучшают свой программный продукт Opera v.16 (http://www.cobham.com) [140] основанный на анализе электромагнетизма методом конечных элементов МКЭ. Opera набор программного обеспечения для проектирования и оптимизации электромагнитных устройств в двух или трех пространственных измерениях. Opera дает численные решения реальных проблем в магнитостатики, электромагнетизм на низких и высоких частотах;

позволяет смоделировать движущиеся части (линейное и вращательное движения), синусоидальные и переходные временные зависимости, нелинейные материалы, внешние цепи.

Для целей НК и ВК в частности, наибольший интерес представляет пакет программ трехмерного проектирования OPERA-3D, со следующими модулями проектирования электромагнитных устройств:

Static Electromagnetics, пакет нелинейного моделирования магнитных характеристик материала в том числе постоянных магнитов, высокоточного вычисления магнитных полей от источников в виде проводника и магнитов, обеспечивающий высокоточный расчет однородности, потерь в диэлектрических материалах в сочетании постоянными токами и физики электростатической мульти-симуляции.

Dynamic Electromagnetics, пакет динамического моделирования электромагнитных полей, в том числе вихревых токов, создаваемых время различными переменными во времени источниками. Состоит из четырех модулей моделирования. Модуль для изменяющегося во времени электромагнитного поля, в том числе поля вихревых токов;

установившегося режим переменного тока, переходного процесса, линейного или вращательного перемещений поля постоянного тока.

Dynamic Electromagnetics охватывает моделирование скин-эффекта в проводящих материалах и может учитывать нелинейности магнитного, анизотропного и гистерезисного типа. В моделях могут быть использованы многооборотные катушки и подключенные влияния катушек и объемных шин. Моделирование совместимо с системой Simulink. Также возможны сочетания пакета с модулями теплового расчета и мультифизики учитывая в расчетах динамику и зависимости электрических и магнитных свойств материалов от температуры.

К полезным особенностям программного продукта можно отнести временной и гармонический анализы поля; анализ переходных процессов поля; учет нелинейности свойств материала; высокая скорость линейного или анализ вращательного движений (для двигательных инвариантных задач); учет эффектов (в том числе потерь на гистерезис и запасенной энергии).

Для решения в задачах ВК, кроме выше перечисленных, могут использоваться размагничивания), Hysteresis (Гистерезис), Lossy Dielectrics (Потери в диэлектриках), Space Charge (Объемного заряда), RF and Microwave (Модуль имитации высокочастотных систем).

MSC Software Corporation (США) (http://www.mscsoftware.com) – компания предлагает программный пакет MSC Nastran [141]. MSC Software использует для линейного и нелинейного анализа метод конечных элементов (МКЭ) для задач мультифизики, акустики, динамики нескольких тел. Особенностями программы является пакеты моделирования материалов с анизотропными свойствами, расчеты дефектов и их поведения во времени, расчет ресурса объекта MaterialCenter MSC Software. Не имея собственного специализированного пакета по расчетам электромагнитных полей, компания выпустила программный модуль построения сеток с возможностью экспорта полученных построений в большинство сторонних программ, таких как Ansys, Abaqus, LS-DYNA and Pam-Crash.

Свой модуль по расчету остаточного ресурса объекта с учетом механических напряжений, характеристик теплопроводности влияния окружающей среды, динамических нагрузок представил и один из лидеров 3D моделирования деталей и конструкций Dassault Systmes SolidWorks Corp. (www.solidworks.com) SolidWorks Simulation-premium.

Проектирование с использованием универсальных средств САЕ в последнее время заменяется новыми специализированными пакетами программ. На мировом рынке появляются программные продукты, предназначенные для решения задач вихретоковой дефектоскопии.

INTEGRATED Engineering Software (Канада) (http://www.integratedsoft.com) – в линейке своих САЕ имеет модули для двухмерного и трехмерного гибридного моделирования полей [142]. С ноября 2013г. САЕ полностью совместимо с MATLAB®. Для использования в неразрушающем контроле предлагается двухмерный модуль OERSTED, элементов (МГЭ) Boundary Element Method (BEM) и метод конечных элементов (МКЭ) Finite Element Method (FEM). OERSTED инструмент, позволяющий при анализе электромагнитных полей рассчитать такие результирующие параметры как силу, крутящий момент, наведенное напряжение, токи смещения, потокосцепление, наведенного напряжения, мощность, сопротивление и токи. Трехмерный модуль FARADAY также основан на МГЭ и МКЭ технологиях расчета. FARADAY рассчитывает силы, моменты, ток смещения, потокосцепление, индуцированного напряжения, мощности и сопротивления. Кроме пакетов FARADAY и ОERSTED для применения в неразрушающем контроле предлагается использовать программные пакеты ELECTRO и MAGNETO для моделирования двухмерных полей, и пакеты COULOMB и AMPERES для трехмерных полей.

Другим, получившим широкое распространение программным продуктом, на сегодняшний день является CIVA. Продукт разработан под патронажем французского научно-исследовательского института CEA (Commissariat l’nergie atomique – фр.

Комиссариат атомной энергии, www.cea.fr) [143]. Над своим программным продуктом институт работает уже боле 15 лет, привлекая к сотрудничеству институты и промышленные концерны. С 2010 года на мировые рынки поставляется совместный программный продукт и разработчика программного обеспечения

CEA CEDRAT

CIVA EXTENDE – позволяет смоделировать процедуру контроля включая преобразователь, объект контроля и их взаимную ориентацию в пространстве, влияющие параметры и дефекты различного типа и геометрии. В программу входят несколько модулей по каждому из методов неразрушающего контроля: акустический, радиационный и вихретоковый. Для вихретокового контроля предлагается программный продукт CIVA ET, в состав которого входят три модуля – расчета полей, расчета 3D процедуры контроля и расчета несимметричных объектов. Отличительной особенностью CIVA является наличие большой библиотеки преобразователей в модуле ET. Для контроля поверхностей доступны многочисленные катушки разнообразной формы, цилиндрические катушки, прямоугольные катушки, D-типа, формы ипподрома, меандра, прямоугольной и круговой спирали. Для контроля труб предлагаются вращающиеся катушки различных форм, секционные преобразователи, катушки индуктивности. Доступны магнитные датчики, массивы ВТП и ЭМА зонды. Кроме того в библиотеке есть ферритовые сердечники цилиндрические, кольцевые, С и Ш образной формы. В Библиотеке представлен ряд дефектов: плоскодонное сверление, канавки прямоугольной, полу эллиптической и четверть эллиптической формы.

Livermore Software Technology Corporation (LSTC) (США) (www.lstc.com) в последней версии своего программного продукта LS-DYNA R7 [145] обновил модуль EM (Electromagnetics). Модуль ЕМ решает приближенно уравнения Максвелла для вихревых токов (индукция-диффузия). Данный подход применим, когда распространение электромагнитных волн в воздухе (или в вакууме) можно рассматривать как мгновенное, т.е.

время распространение волн не учитывается. Модуль EM позволяет рассматривать источники электрического тока в виде твердых проводников и проводить вычисление связанного магнитного поля, электрического поля, а также индуцированных токов. Модуль ЕМ сопрягается с другими программными пакетами фирмы решающими механику движения и температурное влияние. Электромагнитные поля EM решает с использованием метода конечных элементов для проводников и метод граничных элементов для окружающих изоляторов. Для построения объектов и сеток применяется модуль LS-PREPOST.

Признанные лидеры мирового рынка вихретокового контроля - Zetec (США), EDDYfi (Канада), PRFTECHNIK (Германия), Rohmann GmbH (Германии), GE Measurement & Control (США), Olympus NDT Inc. (Япония), PTS Josef Solna (Чехия), IBG НК Systems (США), INSTITUT DR. FOERSTER GMBH & CO. KG (Германия), KARL DEUSTCH (Германия), CMS (Франция), Tecnatom S.A. (Испания), Force Technology (Дания); TesTex, Inc. (США); Centurion NDT (США); Raynar (Южная Корея); IDEA-NDT (Китай).

Компания Zetec (США) (http://www.zetec.com/) [146]– позиционирует себя как одного из лидеров в области вихретоковых технологий. Успех компании основан на собственных разработках и их использовании в приборах неразрушающего контроля для ядерной энергетики США. Именно с аналогового одночастотного прибора для вихретокового контроля трубок парогенераторов фирма Zetec, основанная в 1968 году, начала свой путь к мировому признанию. Сегодня, по утверждению Брайан Диксон вице-президента и генерального менеджера компании, Zetec стала единственной компанией, обеспечивающей полную интегральную поддержку всех аспектов вихретокового контроля в различных отрослях во всем мире.

Возглавляют разработку новых средств вихретоковой дефектоскопии Роберт А.

Волмер, пришедший в компанию с огромным опытом контроля и ремонтов парогенераторов АЭС, и Диана Вуд, ответственная за контроль качества выпускаемой продукции Zetec.

В настоящее время Zetec занимается производством специализированного оборудования, датчиков, программного обеспечения и интегрированных систем для промышленности.

Zetec предлагает на мировом рынке ряд вихретоковых приборов. Дефектоскоп MIZдля контроля труб теплообменников и MIZ-80id – систему подачи вихретоковых преобразователей в зону контроля. TC 7700 - универсальный дефектоскопический комплекс, предназначенный для проведения вихретокового и ультразвукового контроля в автоматических линиях производства. Ручные одно и двухчастотные вихретоковые приборы MIZ-21B, MIZ-21R и MIZ-21SR. Целую линейку вихретоковых преобразователей:

Простые CBS зонды, определяющие возможность контроля трубы.

Моторизованные вращающиеся зонды (Motorized Rotating Probe Coil MRPC®) состоящие из двух частей: блока двигателя и головки зонда. MRPC вращающаяся голова проверяет всю окружности трубы, а расстояние до контролируемой поверхности до катушки обеспечивает минимальный эффект отрыва и максимальное отношение сигнал-шум.

Вращающиеся зонды позволяют обнаруживать продольные и кольцевые дефекты и неоднородности труб, опорных плит и U-изгибы труб, кроме того их конструкция позволяет контролировать деформированные области труб, поперечные стыки, вмятины и области, пострадавшие от отложений.

Зонды, работающие по технологиям удаленных полей (remote field technique RFT), применяются компанией для контроля ферромагнитных труб, как из углеродистых сталей, так и ферритных нержавеющих, а также для обнаружения и определения размеров утонений стенок труб.

Зонды, работа которых основана на технологии магнитного потока рассеяния (Magnetic flux leakage MFL), предназначаются для контроля ребристых алюминиевых труб.

Зонды MFL могут быть использованы при контроле труб из углеродистой стали для обнаружения кольцевых дефектов и измерения остаточной толщены стенок труб. RFT и MFL датчики компании Zetec позволяют контролировать диаметры от 9 мм.

Компания проводит работы по разработке и продвижению на рынок вихретоковых матриц основанных на 2-3мм катушках в гибких и твердых корпусах для контроля протяженных объектов, сварных соединений в углеродистых сталях.

Компания EDDYfi (Канада) (http://www.eddyfi.com/en/) - специализируется на предоставлении полного спектра высокотехнологичных решений для неразрушающего контроля в нескольких крупных отраслях промышленности: ядерной, нефтегазовой, и аэрокосмической и пр. [147] Компания разрабатывает контрольно-измерительные приборы, сканеры, поверхностные и внутритрубные зонды, а также программное обеспечение для постобработки полученных сигналов. Компанию возглавляют директорат практически директор ET Технологии, ранее ведущий разработчик ECT, RFT, MFL, IRIS and ECA датчиков в корпорации Olympus NDT, а в 2011 защитивший докторскую по томографии вихревых токов, и Флориан Харди, главный директор по технологиям, перешедший в Eddyfi из Zetec, где он возглавлял разработку всех Tecrad / RD Технологий X-Probe и ТК платформы разработки (6700/7700), а также MS-5800, и сыграл ключевую роль в развитии Zetec нормативных Миз-80 и RCCA процедур и систем контроля.

Компания Eddyfi поставляет Ectane™ - многофункциональную станцию для инспекции поверхности труб теплообменников и неразрушающего контроля металлопроката.

В линейку преобразователей входят проходные и накладные преобразователи. DefHi ™ зонд высокой четкости, состоящий из 128 мультиплексированных вихретоковых датчиков, предназначенный для контроля неферромагнитных конденсаторов и труб теплообменника, позволяющий выявлять как продольные, так и кольцевые дефекты с определением их протяженности. Вихретоковые проходные зонды PRBT-ECT для контроля труб из немагнитных материалов, позволяющие по основной частоте контролировать поры эрозии, перегородки порезы, питтинговую коррозию, и растрескивания в теле трубы, при двухчастотном контроле определять дефекты опорных пластин, а при четырех частотном контроле выявлять еще и сторонние объекты, такие как наличие стальных и медных отложений. Для проверки труб из магнитных материалов предлагаются преобразователи, работающие по технологии RFT, для обнаружения наиболее распространенных дефектов (коррозия, эрозия, износ, точечные поры и дефекты) на внешней и внутренней поверхностях труб. Преобразователи NFT (Near-field testing) контроля в ближних полях, предназначенные, для выявления дефектов на внутренней поверхности труб. На показания этого типа преобразователей не влияют опорные стенки трубок парогенераторов, ими невозможно определить размеры дефектов и применить фазовый анализ сигналов. Eddyfi сегодня лидирует в области технологии матричных преобразователей для вихретокового контроля.

Компания производит матрицы вихретоковых преобразователей ECA-RBC для плоских поверхностей, ECA-SFE для выгнутых или вогнутых поверхностей, ECA-IFG и ECA-TFC у которых массив датчиков расположен на гибком шлейфе.

Eddyfi предлагает на рынок программное обеспечение для расширенного анализа данных вихретокового контроля и их хранения, совместимое с приборами Ectane и MS5800, TC7700 и MS5800, TC, ECVision; и UltraVision компании Zetec.

Компания PRFTECHNIK (Германия) (http://www.pruftechnik.com/) была основана в 1972 году Дитером Бушем [148]. Развитием электромагнитных технологий неразрушающего контроля компания занялась с первых дней основания и первыми еще в 1977 году прежде всего, нацелена на контроль металлопроката в процессе производства, включая контроль горячекатаного металла. В настоящее время на рынке представлена многофункциональная система контроля EDDYCHEK 5 advanced. Дефектоскоп EDDYCHEK 5 создан на базе хорошо известной системы EDDYCHEK LAB 2 уже более 20 лет с успехом поставляемой в 70 странах. Первое поколение EDDYCHEK 5 вышло на рынок в 2000г. и с тех пор постоянно усовершенствуется. Сегодня семейство вихретоковых дефектоскопов дополняют компактная версия EDDYCHEK 5 compact, специализированные дефектоскопы EDDYCHEK 5 TMI для контроля толстостенных немагнитных металлов, EDDYCHEK 5 Hot для контроля горячекатаного материала, выявляющий дефекты характерные для данного вида продукции и определяющий технологические сбои производства от ошибок в плавке до износа протяжных роликов. EDDYSENSOR и EDDYCHEK S специализированные приборы для дополнения основного контролирующего дефектоскопа. Используются как для обнаружения трещин по одному каналу вихретокового преобразователя так и для обнаружения конца заготовки, стыкового шва и т.п. Со своими дефектоскопами PRFTECHNIK применяет накладные секционные преобразователи и проходные преобразователи для диаметров до 1000мм. Основой успеха компании на рынке являются вращающиеся системы вихретоковых преобразователей RS35HS, RS65 и RS позволяющие контролировать прутки и трубы от 3 до 130 мм и системы вращающихся преобразователей RFL200, RFL140, RFL65, анализирующих поток рассеяния в трубах диаметром от 5 до 200 мм и выявляющих дефекты от 0,1мм глубиной. Для проведения контроля ферромагнитных материалов в приложенном магнитном поле компания поставляет намагничивающие и размагничивающие кольцевые системы с проходным диаметром от 0, до 227 мм и накладные двухполюсные системы для промагничивания сварного шва.

Программное обеспечение для вихретокового контроля DATA LOGGER и EDDYTREND позволяют не только анализировать и сохранять текущие сигналы от дефектоскопов, но и, сравнивая текущие результаты с показаниями от последних объектов, определять структурные изменения металла в потоке производства.

(http://www.rohmann.com/) начала свою работу в 1977 в авиационной промышленности.

Сегодня компанию возглавляют Дирк и Петра Рохман [149]. Компания представляет на рынке целое семейство вихретоковых дефектоскопов ELOTEST различного назначения.

Среди них миниатюрный многофункциональный вихретоковый дефектоскоп Elotest M работающий с любыми вихретоковыми преобразователями компании на двух частотах и его упрощенную версию Elotest M2 V3.

позволяет проводить контроль со скоростью сканирования до 100 м/с при разрешении 1 мм, используя до 256 сигнальных каналов. Дефектоскоп применяется для контроля металлопроката в процессе производства и для контроля поверхностей рельс при установке его на скоростном электропоезде. Сегодня Elotest PL500 имеет максимальную скорость контроля в мире.

Другой прибор нового семейства V5 Elotest IS500 для стационарного применения в различных отраслях промышленности.

В качестве преемника ELOTEST B1 Rohmann выпускает дефектоскоп ELOTEST B300, объединенный в одном корпусе с промышленным компьютером, использующим проверенные технологии и последние программные продукты (ScanAlyzer).

Полуавтоматическая сканирующая система EloScan – роботизированная система контроля деталей практически любой формы, основанная на роботе-манипуляторе с большим числом степеней свободы. EloScan была разработана в основном для вихретокового контроля осесимметричных компонентов авиационных двигателей. Основным преимуществом такой системы является возможность проведения периодических проверок детали с точным повторением траектории контроля.

Кроме того компания Rohmann выпускает восьмичастотный структуроскоп Elotest PL500Q применяемый, в основном, для многочастотной сортировки и контроля деталей.

Система Elotest IS, встраиваемая в автоматизированные высокоскоростные линии производства. В режиме сортировки система позволяет оценивать до 100 единиц продукции, оценивая электромагнитные свойства изделий и их габариты. Система позволяет контролировать отклонения деталей из практически любого проводящего материала по таким параметрам как проводимость, твердость наличие несплошностей, структурная неоднородность и геометрические отклонения.

Как и все конкуренты Rohmann представляет программное обеспечение ScanAlyser для проведения вихретокового контроля, документирования и хранения результатов контроля.

Со своими приборами компания применяет преобразователи классических конструкций карандашного и проходного типа, абсолютные, дифференциальные и экранированные.

Компания инвестирует в новейшие научные разработки и является одной из немногих компаний создающих международные стандарты неразрушающего контроля.

GE Measurement & Control (США) (http://www.ge-mcs.com) – часть корпорации GE основанной Томасом Эдисоном в 1878 году как Edison Electric Co. [150] С 2001 года ею «Staveley NDT Technologies». Компании «Hocking NDT», «Everest VIT», «Krautkramer», «Nutronik», «Seifert», «Agfa NDT» и т.д. Возглавляет направление Брайан Палмер. Слияние не в каждом случае пошло на пользу, так Hocking NDT (Великобритания), лидировала в свое время в области вихретокового контроля деталей самолетов и морских судов, в том числе и военного назначения. Однако после поглощения в 2004 году компания не представила на рынке замену универсального ручного дефектоскопа для контроля цветных и черных автоматизированных вихретоковых систем, стоит упомянуть, установку для контроля легкосплавных дисков для авиации. Надо признать, что поглотив компанию, с богатой историей, привнесшую в мир неразрушающего контроля общепринятую систему отображения информации в виде комплексной плоскости и основу метрологического обеспечения, корпорация GE не дала импульса к дальнейшему развитию вихретокового контроля, а лишь использует достижения Hocking в производстве вихретоковых преобразователей. Среди них преобразователи карандашного типа контроля практически всех деталей применяемых в самолетостроении, вращающиеся преобразователи для контроля отверстий, проходные катушки, датчики для контроля сварных соединений и массивы на пленочной технологии.

Несоизмеримо большим успехами в развитии вихретокового контроля, и по многим показателям, намного опередившим конкурентов, стала международная компания Olympus NDT Inc. (http://www.olympus-ims.com) со штаб квартирой в США, входящая в состав Olympus Corporation (Япония) [151]. Сегодня компания представляет на мировой рынок несколько линеек дефектоскопов и систем вихретокового контроля с широкими функциональными возможностями. Вихретоковые дефектоскопы NORTEC 500 - младшая серия в линейки дефектоскопов использующие абсолютные и дифференциальные преобразователи. Имеет четыре модификации: NORTEC 500 - обеспечивает одночастотный вихретоковый контроль; NORTEC 500C в дополнение к основной функции, добавляет возможность измерения толщины покрытия и проводимости; в NORTEC 500S к функциям N500C добавляется возможность использования вращающихся сканеров; и наконец, в NORTEC 500D добавляется возможности применения контроля двойной частотой.

Малогабаритный NORTEC 2000D+ - одноканальный вихретоковый дефектоскоп с диапазоном частот от 50 Гц до 12 МГц, с одной или двумя рабочими частотами (диапазон 2-й частоты от 5Гц до 3МГц), с функцией контроля проводимости. Совместим с абсолютными, дифференциальными преобразователями и вращающимися сканерами.

тяжелый для портативного исполнения дефектоскоп имеет модульную структуру. Модуль ECT – производит контроль до 4 каналов вихретоковых преобразователей, модуль ЕСА – для матрицы вихретоковых преобразователей от 1 до 32 каналов.