ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
нефти и газа имени И.М.Губкина
Е.В.Петрусенко
МАГНИТНАЯ И ВИХРЕТОКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТАЛЛОВ
Методические указания к лабораторной работе
по курсу «Диагностика и контроль оборудования нефтегазопереработки»
Под редакцией проф. А.И. Владимирова
Москва 2006
УДК 532.529.5
Е.В. Петрусенко
МАГНИТНАЯ И ВИХРЕТОКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТАЛЛОВ.
-М.: РГУ нефти и газа, 2006, 20 с.
Методические указания к лабораторной работе по курсу «Диагностика и контроль оборудования нефтегазопереработки» предназначены для ознакомления студентов с технологиями магнитной и вихретоковой дефектоскопии металлов. Они включают описание теоретических основ вихретокового контроля, назначение, устройство и принцип действия магнитного вихретокового дефектоскопа, описание методик проведения замеров толщины тонкостенных ферромагнитных оболочек и поиска поверхностных дефектов в токопроводящих объёктах контроля.
Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению 657300 «Оборудование и агрегаты нефтегаводского производства».
Рецензент – заведующий кафедрой машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина профессор, д.т.н. Ивановский В.Н.
Российский государственный университет нефти и газа им. И.М.Губкина
2006 год
1. Цель лабораторной работы
1. Изучение назначения, принципа работы и характеристик магнитного дефектоскопа металлов.
2. Изучение назначения, принципа работы и характеристик вихретокового дефектоскопа металлов.
3. Проведение магнитной и вихретоковой дефектоскопии металлической трубы.
2. Теоретические основы
2.1. Вихретоковый контроль
Вихретоковые методы (ВТМ) контроля основаны на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля. Плотность вихревых токов в объекте зависит от геометрических и электромагнитных параметров объекта, а также от взаимного расположения измерительного вихретокового преобразователя (ВТП) и объекта. В качестве преобразователя используют обычно индуктивные катушки (одну или несколько). Синусоидальный (или импульсный) ток, действующий в катушках ВТП, создает электромагнитное поле, которое возбуждает вихревые токи в электропроводящем объекте (Рис.1). Электромагнитное поле вихревых токов воздействует на катушки преобразователя, наводя в них ЭДС или изменяя их полное электрическое сопротивление. Регистрируя напряжение на зажимах катушки или их сопротивление, получают информацию о свойствах объекта и о положении преобразователя относительно него.
Рис.1. Обобщенная схема вихретокового контроля с помощью накладного вихретокового преобразователя.
Плотность вихревых токов максимальна на поверхности объекта в контуре, диаметр которого близок к диаметру возбуждающей обмотки, и убывает до нуля на оси ВТП при удалении. Плотность вихревых токов убывает также и по глубине объекта контроля. Следовательно, вихретоковые методы эффективны только для контроля поверхностных слоев объектов.
Особенность вихретокового контроля также и в том, что его можно проводить без контакта преобразователя и объекта. Их взаимодействие происходит обычно на расстояниях, достаточных для свободного движения преобразователя относительно объекта (от долей миллиметра до нескольких миллиметров). Поэтому этими методами можно получать хорошие результаты контроля даже при высоких скоростях движения объектов или проводить дефектоскопию объекта с защитным нетокопроводящим покрытием. Получение первичной информации в виде электрических сигналов, бесконтактностъ и высокая производительность определяют широкие возможности автоматизации вихретокового контроля.
С помощью ВТМ обнаруживают дефекты типа несплошностей, выходящих на поверхность или залегающих на небольшой глубине (в электропроводящих листах, прутках, трубах, проволоке, железнодорожных рельсах, мелких деталях и т.д.), а также разнообразные трещины, расслоения, закаты, плены, раковины, неметаллические включения и т.д. При использовании накладного преобразователя при благоприятных условиях контроля и малом влиянии негативных факторов удается выявить трещины глубиной 0,1-0,2 мм, протяженностью 1-2 мм, а при использовании проходного преобразователя – трещины протяженностью около 1 мм и глубиной 1-5% от диаметра контролируемой проволоки или прутка.
ВТМ позволяют успешно решать задачи контроля размеров изделий. С помощью ВТМ измеряют диаметр проволоки, прутков и труб, толщину металлических листов и стенок труб при одностороннем доступе к объекту, толщину электропроводящих (например, гальванических) и диэлектрических (например, лакокрасочных) покрытий на электропроводящих основаниях, толщину слоев многослойных структур, содержащих электропроводящие слои. Измеряемые толщины могут изменяться в пределах от микрометров до десятков миллиметров. Для большинства приборов погрешность измерения составляет 2-5%.
С помощью ВТМ измеряют также зазоры, перемещения и вибрации в машинах и механизмах. Приборы, осуществляющие данный метод контроля, называются вихретоковыми толщиномерами. К основным видам толщиномеров относятся: толщиномеры диэлектрических покрытий на электропроводящих основаниях, толщиномеры электропроводящих покрытий на электропроводящем основании, толщиномеры электропроводящего слоя.
Структурное состояние металлов и сплавов влияет на их электрические и магнитные характеристики. Благодаря этому оказывается возможным контролировать не только однородность химического состава, но и структуру металлов и сплавов, а также определять механические напряжения. Широко применяют вихретоковые измерители удельной электрической проводимости и другие приборы для сортировки металлических материалов и графитов по маркам (по химическому составу). С помощью вихретоковых приборов контролируют качество термической и химико-термической обработки деталей, состояние поверхностных слоев после механической обработки (шлифование, наклеп), обнаруживают остаточные механические напряжения, выявляют усталостные трещины в металлах на ранних стадиях их развития и т.д. Приборы, осуществляющие этот метод контроля, называются вихретоковыми структуроскопами.
По рабочему положению относительно объекта контроля преобразователи делят на проходные, накладные и комбинированные.
2.2. Магнитная дефектоскопия
Принцип действия магнитного дефектоскопа основан на анализе взаимодействия постоянных магнитных полей с ферромагнитным объектом контроля и индикации полей рассеяния, пропорциональных толщине контролируемого изделия.
Основы теории магнитной дефектоскопии изложены в методических указаниях к лабораторной работе «Магнитная толщинометрия защитных покрытий» [3].
3. Описание и порядок работы с приборами
3.1. Индикатор толщины магнитный МИТ-1
Прибор МИТ-1 предназначен для контроля толщины тонкостенных ферромагнитных конструкций – труб, резервуаров, сосудов давления. Диапазон контролируемых толщин составляет от 3 до 10 мм.
Источником магнитного поля является постоянный П-образный магнит. Индикатор состоит из преобразователя и электронного блока, соединенных гибким кабелем.
Внешний вид прибора показан на рис. 2.
Рис. 2. Внешний вид магнитного дефектоскопа МИТ-1.
Структурная схема индикатора, поясняющая его работу, приведена на рис. 3.
Дефектоскоп работает следующим образом:
Блок питания 1 вырабатывает напряжение для питания всех узлов электронного блока и ток для питания преобразователя Холла 2. Выходное напряжение преобразователя Холла 2 подаётся на измерительный усилитель 3 далее - на масштабирующий усилитель 4. Усилитель 4 позволяет выбрать необходимую чувствительность к толщине объекта контроля и номинальное значение толщины стенки. Сигнал с масштабирующего усилителя 4 подается на цифровой индикатор 7, где индуцируется толщина контролируемой стенки в мм. Одновременно сигнал с выхода масштабирующего усилителя 4 поступает на выход компаратора 5, опорное напряжение которого выбирается в соответствии с граничным значением допустимой толщины стенки. При выходе толщины стенки за допустимую величину сигнал компаратора 5 поступает в запоминающее устройство 6, которое выдает сигнал на световой индикатор 8.
Электронный блок индикатора содержит всю электронную часть индикатора и батарейный отсек для размещения в нем батарей питания. На передней панели электронного блока расположены все органы управления и индикации индикатора. На левой боковой стенке расположен движковый выключатель питания.
На верхней стенке электронного блока расположены: разъём СР-50 для подключения осциллографа и разъем для подключения преобразователя.
Для подготовки прибора к работе следует:
- соединить преобразователь и электронный блок с помощью соединительного кабеля;
- убедиться, что опоры подъемного механизма преобразователя полностью выпущены. В случае если опоры не выпущены, то выпустить их с помощью ручки подъемника, повернув ее до упора в направлении «ВВЕРХ»;
- установить преобразователь на контролируемую поверхность трубы и опустить ее с помощью подъемного устройства поворотом ручки до упора в направлении «ВНИЗ»;
- с помощью механизма перемещения колес опустить преобразователь до минимального возможного зазора между полюсами магнита и контролируемой поверхности так, чтобы преобразователь можно было свободно прокатить по поверхности.
Для контроля внутренних коррозионных повреждений трубы, а также контроля поперечных трещин к разъему СР-50 индикатора дополнительно подключают осциллограф.
Проведение контроля:
1. С помощью ультразвукового толщиномера (УЗТ) определить толщину стенки трубы в месте установки датчика прибора.
2. Установить датчик прибора на трубу.
3. Для контроля выхода утонения стенки за пределы допуска проделать следующие операции:
- вращением ручки «НОМ» установить на цифровом индикаторе пороговое значение толщины стенки;
- если световой индикатор «БРАК» горит, нажать кнопку «СБРОС». Если индикатор не погас, то необходимо вращать с помощью отвертки потенциометр «ПОРОГ» против часовой стрелки, периодически нажимая кнопку «СБРОС» пока индикатор не погаснет.
- медленно вращая с помощью отвертки потенциометр «ПОРОГ» против часовой стрелки, добиться, чтобы индикатор «БРАК» был на грани срабатывания. Индикатор «БРАК» можно погасить только нажатием кнопки «СБРОС». Если индикатор «БРАК» не горит необходимо вращать с помощью отвертки потенциометр «ПОРОГ» против часовой стрелки до загорания индикатора «БРАК».
4. Вращением ручки «НОМ» установить на цифровом индикаторе значение, равное толщине стенки контролируемого изделия, определенной с помощью УЗТ.
5. Прокатить преобразователь по контролируемой поверхности и считать остаточную толщину стенки по цифровому индикатору. Световой индикатор загорится в том месте контролируемого изделия, где остаточная толщина стенки меньше допустимой.
3.2. Вихретоковый дефектоскоп ВД-12НФМ
Вихретоковый дефектоскоп (ВТД) ВД-12НФМ предназначен для поиска структурных и геометрических неоднородностей на токопроводящей поверхности объекта контроля.
Внешний вид прибора приведён на рис.4.
Рис.4. Внешний вид вихретокового дефектоскопа ВД-12НФМ.
Структурная схема ВТД, поясняющая его работу, приведена на рис. 5.
Рис.5. Структурная схема дефектоскопа вихретокового ВД-12НФМ
1 – генератор; 2 – преобразователь; 3 – усилитель; 4 – блок автоматической регулировки усиления (АРУ); 5 – фазовращатель; 6 – фазовый детектор; 7 – усилитель модулирующей частоты; 8 – фильтр; 9 – компаратор; 10 – временный селектор импульсов; 11 – регулятор порога; 12 – стрелочный индикатор; 13 – цифровой индикатор; 14 – световой индикатор; 15 – звуковой индикатор.
Принцип работы дефектоскопа основан на возбуждении в контролируемом изделии вихревых токов и последующем выделении на выходе преобразователя сигнала, амплитуда и фаза которого определяется действующим вторичным полем.
Дефектоскоп работает следующим образом:
Питание преобразователя 2 осуществляется от генератора 1 синусоидального напряжения.
Выход преобразователя 2 подключен к усилителю 3 автоматической регулировкой усиления 4 (АРУ). АРУ эффективно действует в диапазоне допустимого изменения зазора между наконечником преобразователя и контролируемой поверхностью.
Сигнал с выхода усилителя 3 поступает на один из выходов фазового детектора 6. Синусоидальное напряжение несущее частоты с генератора 1 через фазовращатель 5 подается на другой выход фазового детектора 6, в котором проводится измерение фазы между двумя сигналами.
Сигнал с выхода фазового детектора 6 через усилитель модулирующей частоты 7 и фильтр подается на выход компаратора 9, который при превышении сигналом порогового уровня, устанавливаемого регулятором порога 11, формирует прямоугольный выход сигнала, поступающий через селектор импульсов по длительности 10 на устройства световой 14 и звуковой 15 сигнализации.
В качестве звукового сигнализатора 15 используется пьезоэлектрический звонок. Световой индикатор 14 представляет собой светодиод с малым током потребления.
Стрелочный индикатор представляет собой магнитоэлектрический прибор, измеряющий постоянную составляющую тока фазового детектора 6.
Панель прибора показана на рис.6.
Назначение органов индикации и управления дефектоскопа:
Ручка «УСТ.0» (поз.1) предназначена для настройки дефектоскопа на контролируемый материал. Регулировка ручкой «УСТ.0» осуществляется только после установки преобразователя на контролируемую поверхность.
Цифровой индикатор (поз. 2) отображает: сигналы от дефектов в относительных единицах, по показаниям которых можно оценить глубину дефекта (максимальное показание индикатора 1999, при превышении данного значения на индикаторе высвечивается «1»); максимальное измеренное значение сигнала в динамическом режиме работы; установленный порог срабатывания сигнализации и индикацию заряда батарей.
Световой индикатор «ДЕФЕКТ» (поз.3) служит для световой сигнализации наличия дефекта.
Ручка «ПОРОГ» (поз. 4) предназначена для установки порога срабатывания сигнализации дефектоскопа.
Кнопка «КОНТРОЛЬ» предназначена для контроля разряда аккумулятора. Кроме того, при нажатии (поз. 5) кнопки «КОНТРОЛЬ» на цифровом индикаторе отображается установленный порог срабатывания сигнализации.
Тумблер уровня чувствительности «3/0,5» (поз. 6) предназначен для переключения дефектоскопа в режим контроля деталей с шероховатостью контролируемой поверхности Rz≤320 - положение «3» и деталей с шероховатостью контролируемой поверхности Rа≤1,25 - положение «0,5».
Тумблер «РУЧН/АВТ» (поз. 7) предназначен для переключения режимов отстройки дефектоскопа от влияющих факторов.
В ручном режиме «РУЧН» настройка дефектоскопа производится ручкой «УСТ.0» таким образом, чтобы стрелка индикатора находилась вблизи «0 µА» (при установке преобразователя на бездефектном участке).
В автоматическом режиме «АВТ» сигнал автоматически поддерживается вблизи «0 µА» (поз. 10).
Тумблер «СТАТ/ДИН» (поз.8) предназначен для переключения режима дефектоскопа.
Статический режим работы «СТАТ» предназначен для контроля дефектов на углах, сварных швах и локальных труднодоступных зонах. При этом сигнализация о наличии дефекта срабатывает при расположении преобразователя над трещиной.
Динамический режим работы «ДИН» предназначен для сканирования плоских и криволинейных поверхностей со скоростью 0,02…0,1 м/с. Сигнализация включается после прохождения преобразователя над трещиной.
Кнопка «ПИТАНИЕ» (поз. 9) предназначена для включения/выключения питания дефектоскопа.
Стрелочный индикатор используется для контроля настройки дефектоскопа на контролируемый материал при регулировке ручкой «УСТ.0».
Кнопка «СБРОС» ( поз. 11) предназначена для сброса показаний в динамическом режиме.
Гнездо «ТЕЛЕФОН» (поз. 12) предназначено для подключения наушника, обеспечивающего дополнительную звуковую сигнализацию о наличии дефекта, необходимую при работе в шумных местах. Разъем «ПРЕОБР» (поз. 13) служит для подключения к блоку преобразователя. Световой индикатор «ПИТАНИЕ» (поз. 14) предназначен для индикации включения индикации питания дефектоскопа.
Преобразователь:
Преобразователь предназначен для преобразования неэлектрических величин (в виде локальных нарушений сплошности) в электрический сигнал, путем возбуждения в контролируемом изделии вихревых токов и последующей оценке параметров вторичного электромагнитного поля.
Преобразователь работает по принципу трансформатора и содержит три соосные катушки. На первичную (среднюю) обмотку подаётся синусоидальное напряжение с частотой 70±5 кГц. Вторичные (сигнальные) обмотки соединены последовательно, дифференциально, что обеспечивает минимальное значение разбаланса преобразователя при удалении его от контрольного изделия. В корпусе преобразователя имеется световой индикатор для обеспечения дополнительной сигнализации наличия дефекта.
В комплекте прибора имеются: преобразователь типа 1 – для контроля изделий с шероховатостью Ra≤1,25 и преобразователь типа 2 - для контроля изделий шероховатостью Rz≤320.
Подготовка контролируемой поверхности:
При наличии неметаллического защитного покрытия на контролируемом участке поверхности провести измерение его толщины. Данный участок может быть подвергнут контролю на наличие трещин, если толщина покрытия не превышает 3 мм.
При наличии комков, вздутии и других неровностей неметаллического покрытия толщиной более 3 мм их необходимо устранить. При невозможности полного устранения неровностей покрытия, а также при наличии на контролируемой поверхности без покрытия (сварные швы) рекомендуется накрыть контролируемую зону полоской фотопленки, плотной бумаги и т.п., чтобы обеспечивать плавность сканирования. При этом суммарный зазор между контролируемой поверхностью и преобразователем должен быть не более 3 мм.
Контролируемое изделие должно быть размагничено.
Радиус кривизны контролируемого образца должен быть не менее 10 мм.
Зоны сканирования указываются в технологических инструкциях, в операционных и технологических картах на вихретоковый контроль конкретных изделий.
Порядок работы с дефектоскопом:
Включить дефектоскоп, нажав на кнопку «ПИТАНИЕ». При этом должен загореться светодиод над кнопкой питание.
Подключить к разъему «ПРЕОБР» преобразователь.
Органы управления дефектоскопом установить в следующие положения:
● тумблер уровня чувствительности «3/0,5»- в положение «3» при сканировании поверхности с шероховатостью Rz≤320, в положение «0,5»- при сканировании поверхности с шероховатостью Ra≤1,25;
● тумблер режима работы «СТАТ/ДИН» установить в положение «ДИН».
● тумблер режима настройки «РУЧН/АВТ» установить в положение «АВТ».
● переключатель вида контролируемого материала «НЕМ/ФЕР» установить в положение «ФЕР».
● ручку «ПОРОГ» установить в крайнее левое положение (на 9 деление).
Проведение контроля:
Расположить преобразователь на бездефектном участке контролируемой поверхности и ручкой «УСТ.0» установить стрелку индикатора вблизи «0» (в середине шкалы).
При установке точно над дефектом отклонение стрелки индикатора от ее начального положения будет максимальным. При сканировании поверхности детали необходимо следить за положением стрелки индикатора и корректировать ее положение вращением ручки «УСТ.0».
Сканирование поверхности проводить плавно, без рывков и остановок. Скорость сканирования в динамическом режиме работы должна быть от 0,02 м/с до 0,1 м/с. При медленном пересечении преобразователем дефекта срабатывания сигнализации может не быть.
В процессе сканирования допускается отклонение преобразователя от вертикали до 30º.
Признаком дефекта является повторяющееся отклонение стрелки индикатора в момент пересечения преобразователем одного итого же участка контролируемой поверхности.
Для оценки глубины дефекта просканировать преобразователем стандартный образец (рис. 7) из контролируемого материала с искусственными дефектами и зафиксировать показания цифрового индикатора.
О глубине обнаруженного дефекта на контролируемом изделии судят по показаниям цифрового индикатора, сравнивая их с аналогичными показаниями индикатора на стандартном образце.
4. Порядок выполнения лабораторной работы
1. Подготовить к работе магнитный дефектоскоп МИТ-1.
2. Установить преобразователь на образце (труба для обогрева помещения) и опустить его с помощью подъемного устройства поворотом ручки до упора в направлении «ВНИЗ».
3. Определить с помощью ультразвукового дефектоскопа толщину стенки трубы с точностью 0,1 мм.
4. Вращением ручки «НОМ» установить на цифровом индикаторе магнитного дефектоскопа значение, равное толщине стенки трубы.
5. С помощью магнитного дефектоскопа произвести толщинометрию размеченного на 30 секторов участка трубы. На каждом секторе размеченного участка трубы снятие показаний производить не менее 2 раз. Показания прибора (значения толщины стенки трубы) свести в таблицу 1.
Таблица 1
№ полосы
Толщина трубы в секторе контроля, мм
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
2
3
6. Подготовить вихретоковый дефектоскоп ВД-12НФМ к работе.
7. По указанию преподавателя провести вихретоковую диагностику одного из секторов размеченного участка трубы, руководствуясь методическими указаниями раздела 3.2. Зафиксировать диапазон показаний дефектоскопа в данном секторе.
8. Произвести с данной настройкой дефектоскопа контроль стандартного образца с искусственными дефектами (рис.7).
9. Посредством сопоставления результатов дефектоскопии объекта контроля и стандартного образца (рис.7) оценить глубину дефектов в контролируемом секторе.
Рис. 7. Контрольный образец с искусственными дефектами.
I – дефект глубиной 3 мм; II – 2,5 мм; III – 2,0 мм; IV – 1,5; V – 1,0 мм.
5. Отчёт по лабораторной работе
1. В программе Microsoft Excel построить гистограмму снятых показаний (см. рис 8.).
2. Оформить акт проведения контроля (Приложение 1).
Рисунок 8. Образец оформления результатов магнитной толщинометрии в программе Microsoft Excel.
Литература
1. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник/В.В.Клюев, Ф.Р.Соснин, В.Н.Филинов и др.; Под ред. В.В.Клюев. - М.: Машиностроение, 1995.-488 с., ил.
2. Методы и средства неразрушающего контроля качества: Учебное пособие для вузов/ И.Н.Ермолов, Ю.Я.Останин. М.: Высшая школа, 1988. 367 с.
3. Лукьянов В.А., Петрусенко Е.В. Магнитная толщинометрия. Методические указания к лабораторной работе по курсу «Диагностика и контроль оборудования нефтегазопереработки». М., РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина, 2002 г.
Контрольные вопросы
1. Какие физические основы магнитной толщинометрии металлов?
2. Какие существуют ограничения при применении магнитной толщинометрии металлов?
3. Какая технология проведения магнитной толщинометрии металлов?
4. Какие физические основы вихретоковой дефектоскопии?
5. Какие ограничения существуют при применении вихретоковой дефектоскопии?
6. Какая технология проведения вихретоковой дефектоскопии?
Приложение 1
УТВЕРЖДАЮ
_______ / /
«____» __________ 200_г.
АКТ №
проведения магнитной и вихретоковой дефектоскопии
В порядке проведения лабораторной работы проведена дефектоскопия объекта: __________________________________________________________
__________________________________________________________________.
Дефектоскопия объекта проведена «___» ___________ 200_ г. в ауд. ____
в присутствии:
Используемые для проведения дефектоскопии приборы и даты их последней поверки:
______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ: _____________________________________
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
