CC BY
6
УДК 620.179.14
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-137-138
ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФЕКТОВ СТАЛИ МЕТОДОМ ВИХРЕВЫХ ТОКОВ
В.Н. Маликов, А.О. Катасонов, П.А. Шмыкова, О.М. Тимохова, С.А. Войнаш, В.А. Марков
В статье описана конструкция измерительной системы, предназначенной для исследования различных свойств материалов. В рамках данного исследования производилось исследование участков труб, изготовленных из нового материала - высокопрочной стали типа 08Г2Б, относящихся к сталям группы прочности К65. Данные материалы относятся к сверхнизкоуглеродистым сталям, за счет чего становится возможным исследование их свойств с помощью вихретокового метода. В работе использовался сверхминиатюрный вихретоковый преобразователь, состоящий из трех обмоток, намотанных на сердечник, изготовленной из сплава 81НМА. Результирующим параметром измерительной системы, несущим информацию об объекте контроля, являлось изменения сигнала вихретокового преобразователя. В работе исследовались образцы с модельными дефектами сплошности - трещинами и отверстиями, а также проводилось исследование, позволяющие смоделировать наличие коррозии в металле.
Ключевые слова: высокопрочная сталь, вихретоковый контроль, преобразователь, сплав 81НМА.
В последние годы во все возрастающих объемах при строительстве топливопроводов, зданий, судов и т.д. используется толстолистовой прокат из высокопрочных сверхнизкоуглеродистых сталей типа 08Г2Б. Благодаря ультрамелкозернистой структуре, получаемой в результате контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением, легированию и сбалансированным механизмам упрочнения, стали группы прочности К65(Х80) обладают высокой конструктивной прочностью. Ключевым вопросом использования сталей является стабильность их функциональных свойств, что обеспечивает надежную безаварийную эксплуатацию строительных конструкций.
Однако современные высокопрочные строительные стали в силу технологии производства толстого листа, ускоренного охлаждения горячего проката, сверхмелкого зерна с повышенной плотностью дислокаций, подвержены разрушению при условиях высокого давления, возникающего, например, в высотных зданиях и т.п.
К настоящему времени предпринято немало усилий для изучения особенностей разрушения высокопрочных сталей при высоком давлении и разработки более корректных методов оценки свойств стали, позволяющих определить ее качество и возможность сопротивления разрушению.
Исследование новых типов высокопрочной стали также привело к необходимости оценки механических свойств сварных соединений подобных материалов. Несмотря на значительное улучшение технологий сварки в последние годы, уровень механических свойств сварных соединений все еще остается существенно ниже, по сравнению с основным металлом. Применяемые технологии сварки априори не способно обеспечить данные свойства на одном уровне со свойствами основного металла. Ситуация усугубляется еще и тем, что сварной шов в любом металле отличается неоднородными свойствами и является концентратором напряжений. Это является источником зарождения, подрастания и распространения трещин в сварном шве. Низкие механические свойства сварных швов являются причиной того, что прочностные характеристики всей конструкции будут определяться свойствами именно сварного шва, как наиболее слабой части всей конструкции. При этом вопросы влияния низких механических свойств сварных соединений на проблемы возникновения и развития трещин изучен достаточно слабо, что делает задачу исследования данной проблемы актуальной.
Одной из актуальных областей использования высопрочной стали в строительстве - трубопроводные системы различного назначения (магистральные, технологические и т.д.). Проблемы обеспечения надежности и безаварийности стальных трубопроводов из-за их подверженности к естественному старению стоит весьма остро.
Отказы трубопроводных систем, как правило, обусловлены коррозией и механической усталостью металла. Согласно статистическим данным, 29 процентов дефектов стальных высопрочных труб составляют дефекты сплошности типа наружной коррозии.
В процессе эксплуатации стальных труб используют самые разные методы неразрушающего контроля [1]. Чаще всего используется ультразвуковой и рентгеновский метод. Нередко находит применение и магнитопорошко-вый метод, например, для контроля торцов труб.
Практика использования существующих неразрушающих методов контроля показывает их недостаточную чувствительность к дефектам металла труб. Согласно работе [2], чувствительность используемых в настоящий момент дефектоскопов позволяет выявлять трещины с глубинами более 10 % толщины стенки трубы, следовательно, трещины глубиной до 2 мм в наиболее распространенных трубах диаметром 1400 мм не обнаруживаются, что, как следствие, несет риск повышенной аварийности конструкции.
Наибольшей чувствительностью к поверхностным дефектам сплошности высопрочной стали обладают электромагнитные (в частности, вихретоковый) методы контроля. Методы контроля данного типа позволяют обеспечить быстрый и удобный контроль, определить глубину трещины и позволить принять решение о состоянии исследуемого участка трубопровода.
Кроме того, исходя из практического опыта, в условиях повышенной шероховатости или после нанесения изоляционного или защитного покрытия на металл, обнаружить дефекты стали или сварного шва, становится возможным лишь с помощью вихретокового метода.
Вихретоковый метод контроля используется в качестве основного метода для контроля труб. Данный метод позволяет выявить внутренние коррозионные повреждения металла. Одна из важных особенностей метода, делающая его подходящей для контроля труб - отсутствие требования к механическому контакту между вихретоковым датчиком и объектом контроля [3].
Вихретоковый метод способен обнаруживать как поверхностные, так и приповерхностные дефекты в ферромагнитных материалах. Однако использования метода для обнаружения крайне локальных дефектов, а также дефектов, располагающихся под поверхностностью материала, крайне ограничено. Это обусловлено низкой чувствительностью существующих вихретоковых датчиков к слабым искажениям магнитного поля, вызываемого такими дефектами.
Доступные в настоящее время на рынке вихретоковые измерительные приборы включают в себя постоянные магниты, предназначенные для намагничивания стального образца, а также измерительные катушки или датчики Холла для измерения магнитных полей вихревых токов [4,5]. Данные приборы не могут производить обнаружение локальных и подповерхностных дефектов. Кроме того, данные приборы нельзя использовать для обнаружения дефектов в трубках малого диаметра (внутренний диаметр, внутренний диаметр <15 мм) из-за размера их зонда. Обнаружение локализованных и подповерхностных дефектов в трубках малого диаметра требует использования высокочувствительного вихретокового прибора для сбора информации от слабых магнитных полей, связанных с этими типами дефектов.
Цель работы - определение взаимосвязи между сигналом вихретокового датчика и механическими и эксплуатационными свойствами основного металла сталей класса прочности К65 и демонстрация способности разработанного вихретокового преобразователя находить дефекты сплошности и коррозии в данном типе металла.
Материалы и методы. В качестве объекта исследования использовались стальные трубы с модельными дефектами. Трубы изготавливались из высокопрочной стали 08Г2Б. Дефекты сплошности моделировались в виде трещин, дефекты точечных коррозионных повреждений изготавливались с помощью сверления металла на разную глубину.
В соответствии с ранее проведенными исследованиями [5] была предложена конструкция вихретокового преобразователя.
Конструкция вихретокового преобразователя, используемого для контроля стальных труб представляла из себя магнитопровод, изготовленные из пермаллоя 81НМА в виде пирамиды. На магнитопровод наматывалась возбуждающая обмотка, измерительная обмотка и компенсационная обмотка. Витки обмоток пропитывались эпоксидными компаундом и образовывали монолитную конструкцию.
Схема работы разработанной измерительной системы выглядит следующим образом: генератор, выполненный на базе микроконтроллера АМшпо генерирует синусоидальный сигнал, частота и амплитуда которого задается с помощью программного обеспечения, установленного на персональный компьютер. Сигнал проходит через усилитель мощности, выполненным на микросхеме TDA7267 с однополярным питанием. После усилителя мощности сигнал поступает на возбуждающую обмотку вихретокового преобразователя. Магнитное поле возбуждающей обмотки проникает в исследуемый материал, где наводит противополе вихревых токов, фиксируемых измерительной обмоткой. Данное противополе несет информацию о дефектах объекта контроля. Измерительная обмотка подключается к нескольким фильтрам низких и верхних частот, при этом частота фильтрации управляется синхронно с частотой генерации с целью очистки сигнала от помех. После фильтрации сигнал поступает на амплитудный детектор и фиксируется персональным компьютером.
Результаты экспериментов. Образец №1 представлял из себя стальную трубу с профрезерованными трещинами. Толщина трубы составляла 8 мм. Трещины располагались на глубине 1, 3 и 5 мм (рис. 1). Ширина раскрытия трещины - 2 мм. Частота тока на возбуждающей обмотке составляла 500 Гц.
Рис. 1. Стальная труба с профрезерованными трещинами)
Зависимость амплитуды сигнала от места расположения преобразователя над объектом контроля, показывает места расположения дефектов по падению амплитуды (рис.2.): 1 - соответствует трещине, расположенной на глубине 1 мм, 2 - трещине на глубине 3 мм, 3 - трещине на глубине 5 мм.
Хорошо видно, что при подобном типе дефектов, амплитуда сигнала начинает падать еще до приближения к месту расположения трещины. При этом наименьшее значение амплитуды сигнала соответствует середине трещины в металле и позволять делать вывод о ее месторасположении. Например, зависимость амплитуды сигнала ВТП от расположения преобразователя относительно первой трещины описывается полиномом следующего вида: и = -0,2273х4 + 21,03х3 - 720,34х2 + 10820х - 59664.
Определить глубину расположения трещины можно путем изменения рабочей частоты ВТП. На рис. 3 представлены результаты исследования трубы при частотах в 2000 Гц (линия 1) и 5000 Гц (линия 2). На линии 1 видны лишь два дефекта из трех, на линии 2 - один дефект из трех. Рассчитав глубину проникновения вихревых токов, можно использовать результаты сканирования на разных частотах для определения глубины залегания трещин.
■ ы 1 шГ\ /\ра1V
п ц "У
11 У У 2 г/
1У
О го 40 60 80 100 120
х, тгл
Рис. 2. Результаты исследования стальной трубы на частоте 500 Гц (тип дефекта - трещина)
340 320
зоо 280 260 240 220 200
1
/Мл чЛ\/
V V
л. ^ 1 лллЛЛА
/I МП
2 к
200 195 190
180 175 170 165 160 155
40 60
тт
Рис. 3. Результаты исследования стальной трубы на частоте 2000 Гц (линия 1) и 5000 Гц (линия 2)
Образец №2 представлял из себя стальную трубу с тремя высверленными отверстиями, залегающими на глубине 3 мм (рис. 4). Отверстия имели диаметр 1, 3 и 5 мм. Зависимость амплитуды сигнала от места расположения преобразователя над объектом контроля, показывает места расположения дефектов по падению амплитуды сигнала (рис. 5). При этом, в отличие от сигнала преобразователя, полученного от трещин, можно отметить существенно более крутое падению амплитуды сигнала при приближении к дефекту. Например, зависимость амплитуды сигнала ВТП от расположения преобразователя относительно первого отверстия описывается полиномом следующего вида: и = 69х2 - 4277х + 66718.
540 520 500 430
£ 460
э"
440
420 400 >80
О 20 40 60 го 100 120
хн тт
Рис. 4. Результаты исследования стальной трубы на частоте 500 Гц (тип дефекта - отверстие)
л
гШ\ ^ЖаЛ щ луМ
щг [ V »уш V р / V
V
V
у 3
\|/ 1 2
Т 1
В ходе третьего эксперимента, сканирование производилось при разных зазорах между ВТП и металлом. Зазор создавался с помощью непроводящего объекта, представляющего из себя несколько слоев бумаги, общая толщина которых менялась от 0,2 до 2 мм (рис. 5).
Рис. 5. Результаты сканирования при изменении зазора между ВТП и исследуемым металлом
Зазор позволял проиллюстрировать влияние коррозии на сигнал вихретокового преобразователя, поскольку влияния данного типа дефекта на сигнал эквивалентно увеличению зазора между металлом и ВТП. Хорошо видно, что увеличение зазора между ВТП и бездефектным металлом приводит к монотонному уменьшению амплитуды сигнала. Данная зависимость описывается следующим полиномом: U = 0,128х+0,657х2+0,056х3 и позволяет судить о величине коррозийного слоя на поверхности стали.
Заключение. Результаты лабораторных испытаний автоматизированной измерительной системы показали ее эффективность при контроле качестве стальных трубопроводов и высокую чувствительность к дефектам сплошности типа стресс-коррозионных трещин и коррозии металла. Установлена информативность сигнала вихре-токового преобразователя над дефектами сплошности типа трещины, отверстия и коррозии металла в стальной трубе. Экстремумы сигнала вихретокового преобразователя над дефектами разных типов достигаются с различной скоростью, что позволяет судить о типе дефекта.
Список литературы
1. Многочастотная вихретоковая дефектоскопия алюминиевых сплавов / Егоров А.В., Поляков В. В., Пирогов А.А., Колубаев Е.А. // Известия Алтайского гос. ун-та. 2014. Т.1. №2. С.176-180.
2. Клюев В.В. Неразрушающий контроль. М.: «Машиностроение», 2004. 688 с.
3. Дефектоскопия сплавов методом вихревых токов / Дмитриев С.Ф., Катасонов А.О., Маликов В.Н., Са-галаков А.М. // Дефектоскопия. 2016. №1. С. 41-47.
4. Сверхминиатюрные токовихревые преобразователи для исследования переходов металл-диэлектрик / Дмитриев С.Ф., А.М. Сагалаков, А.В. Ишков, Маликов В.Н. // Приборы и техника эксперимента. 2014. № 6. С. 102106.
5. Scanning the Welded Seams of Titanium Alloys by Using Subminiature Eddy Current Transducers / Dmitriev S.F., Ishkov A.V., Malikov V.N., Sagalakov A.M. // Materials Science Forum. 2017. №906. С.147-152.
Маликов Владимир Николаевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Катасонов Александр Олегович, преподаватель, [email protected]. Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Шмыкова Полина Александровна, магистрант, [email protected]. Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Тимохова Оксана Михайловна, д-р техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Ухта, Ухтинский государственный технический университет,
Войнаш Сергей Александрович, младший научный сотрудник, sergev_voi@mail. ru, Россия, Казань, Казанский федеральный университет,
Марков Виктор Александрович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна
RESEARCH OF STEEL DEFECTS USING THE METHOD EDDY CURRENT V.N. Malikov, A.O. Katasonov, P.A. Shmykova, O.M. Timokhova, S.A. Voinash, V.A. Markov
The article describes the design of a measuring system designed to study various properties of materials. As part of this study, we examined sections of pipes made from a new material - high-strength steel type 08G2B, belonging to steels of the K65 strength group. These materials belong to ultra-low-carbon steels, which makes it possible to study their properties using the eddy current method. The work used a subminiature eddy current transducer consisting of three windings wound on a core made of 81NMA alloy. The resulting parameter of the measuring system, carrying information about the test object, was the change in the signal of the eddy current transducer. The work examined samples with model continuity defects - cracks and holes, and also carried out research to simulate the presence of corrosion in the metal.
Key words: high-strength steel, eddy current testing, converter, alloy 81NMA.
140
Malikov Vladimir Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Barnaul, Altai State University,
Katasonov Alexander Olegovich, teacher, katasonovrffi@gmail. com, Russia, Barnaul, Altai State University,
Shmykova Polina Aleksandrovna, master's, [email protected], Russia, Barnaul, Altai State University,
Timokhova Oksana Mikhailovna, doctor of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Ukhta, Ukhta State Technical University,
Voinash Sergey Aleksandrovich, junior researcher, sergey_voi@mail. ru, Russia, Kazan, Kazan Federal University,
Markov Viktor Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design
УДК 534.08
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-141-142
ЛАЗЕРНО-АКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕФЕКТОВ В МЕТАЛЛАХ
С.А. Войнаш, Д.А. Фадеев, Р.Р. Загидуллин, И.В. Ворначева, В.А. Соколова
Среди наиболее информативных методов неразрушающего контроля следует выделить акустические методы. Настоящая статья представляет собой детальное описание процесса разработки лазерно-акустического способа измерения поверхностных и сквозных дефектов, таких как трещины, в металлических изделиях, а также для выявления нарушений металлических пленок и других неферромагнитных материалов.
Ключевые слова: лазерно-акустический метод, дефект, металлические изделия, трещины.
Применение акустических волн в контексте неразрушающего контроля качества материалов и изделий для выявления дефектов имеет свой исторический корень в первой половине XX века. На сегодняшний день наиболее широко применяемыми в научных исследованиях и промышленной диагностике являются методы, включающие прямое эхо, основанные на использовании ультразвуковых генераторов и приемников [11, а также их вариации, такие как электромагнитно-акустический метод и метод свободных колебаний [2]. Их популярность обусловлена наличием разнообразных промышленных устройств и оборудования.
Во второй половине XX века, вскоре после изобретения первых лазеров в начале 60-х годов и соответствующих методов их применения, были разработаны методы лазерной генерации акустических волн. В течение нескольких лет эти методы были предложены для использования в диагностике твердых материалов и изделий. Были разработаны соответствующие методики лазерно-акустического контроля [3].
Однако, несмотря на перспективность лазерно-акустических методов контроля, они пока не получили широкого применения. Это можно объяснить несколькими факторами. Во-первых, до 90-х годов XX века конструкции лазеров, способных генерировать короткие импульсы, были сложными и не могли использоваться в производственных условиях. Во-вторых, не существовало достаточно простых и надежных методов детектирования акустических волн, взаимодействующих с дефектами, возбуждаемыми лазером. В-третьих, уровень квалификации производственного персонала для работы с лазерными излучателями оставался недостаточным.
К моменту начала исследований, проводимых в рамках данной работы, первая проблема была решена благодаря разработке нового поколения твердотельных импульсных лазеров, которые оказались простыми и надежными в использовании.
Целью данного исследования стало разработка новых методов обнаружения типичных дефектов в изделиях машиностроения, энергетики и электроники. Это особенно актуально, учитывая, что существующие публикации в основном фокусируются на изучении образцов различных материалов с использованием лазерно-акустического метода, оставляя практически без внимания конкретные методики применения данного метода для обнаружения и измерения размеров дефектов.
Материалы и методы. Основополагающим компонентом устройства лазерно-акустического контроля является импульсный лазер на основе иттрий-алюминиевого граната с неодимом, обладающий длиной волны 1064 нм. Система фокусировки лазерного излучения на поверхности объекта контроля реализована с использованием оптической системы, состоящей из коллиматора и цилиндрической линзы. Лазерный пучок фокусируется на поверхности объекта в виде узкой полоски шириной 0,1 мм. Путем наложения соответствующей маски между линзой и объектом контроля достигается варьирование длины полоски в пределах от 0,35 мм до 10 мм.
Детекция возбуждаемых ультразвуковых волн осуществляется пьезоэлектрическим преобразователем, а сигнал с преобразователя передается на цифровой осциллограф через усилитель высоких частот. С целью предотвращения разрушительного воздействия лазерного излучения на поверхность объекта контроля, его интенсивность регулируется с использованием светофильтра. Влияние лазерного пучка на область дефекта сопровождается изменением амплитуды и времени прихода акустического импульса поверхностно-акустической волны (ПАВ).
Поскольку амплитуда акустического сигнала, регистрируемого пьезоэлектрическим преобразователем, зависит от шероховатости исследуемой поверхности, а также от качества акустического контакта преобразователя с поверхностью, основным методом обнаружения и измерения размеров дефектов является анализ времени распространения поверхностно-акустической волны от зоны генерации до места дефекта. Предложенный метод основывается на временном теневом анализе в рамках лазерно-акустического контроля.
141
