Достижения в неразрушающем контроле и диагностике. ЭМА способ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Севастопольский национальный университет ядерной энергии и промышленности

Реферат

На тему:

Достижения в неразрушающем контроле и диагностике. ЭМА способ

Подготовила

Студентка 542 группы

Клименок Е.В.

Севастополь 2011

Введение

Существуют четыре важных направления развития неразрушающего контроля и диагностики (НК и Д).

1. Интеллектуализация методов и средств НК и Д. В настоящее время НК и Д используют более 100 физических методов исследования, тысячи типов приборов с объемом продаж в десятки миллиардов американских долларов.

Интеллектуализация современных методов НК и Д связана с их интенсивной компьютеризацией, широким использованием встроенных процессоров, персональных и мини-ЭВМ, разработкой большого ряда программ, алгоритмов тестового и функционального диагностирования.

Стали нормой перевод диагностической информации в двух- и трехмерное изображение с последующей обработкой в реальном масштабе времени, амплитудо-фазочастотная обработка многомерного сигнала, реконструктивная томография, томосинтез и т.д. Это потребовало введения в аппаратуру множества специальных процессоров и устройств.

Переход на экспертные диагностические системы, многомашинные испытательные комплексы для крупных промышленных объектов, позволяющие определять остаточный ресурс и риск эксплуатации, -- актуальнейшая проблема научно-технического процесса (НТП).

2. Разработка единой системы контроля качества технических объектов и окружающей среды. С увеличением масштаба НТП, постоянными стихийными бедствиями (землетрясения, цунами, смерчи и т.п.), бурным ростом экологических проблем регионов все более необходимой становится неразрывная взаимосвязь методов и средств определения состояния крупных промышленных объектов и окружающей среды.

В то же время наглядно прослеживается развитие диагностических систем и устройств для исследования микрообъектов в связи с бурным развитием микроэлектроники, биотехнологий и других направлений НТП.

Микротомография, рентгенотелевизионная микроскопия, микротомоскопия, микроэндоскопия и прочие важнейшие разделы интроскопии будут помогать проводить исследования и создавать новые материалы и объекты на микроуровне. Диапазон объектов контроля и диагностирования не ограничен ни по нижнему, ни по верхнему пределу геометрического размера, и это должно учитываться при создании единого оптимизированного и экономически обоснованного ряда приборов и систем НК и Д.

3. Совершенствование диагностических технологий. Технические средства НК и Д включают в себя аппаратурную часть, программное обеспечение и эксплуатационно-техническую документацию. К сожалению, разработкам необходимой технологической документации, методикам, исследованию оптимальных процедур НК и Д уделяется явно недостаточное внимание.

Контрольно-диагностические операции следует рассматривать как важнейший, обеспечивающий качество технологический передел со всеми вытекающими из этого выводами. От правильного выбора НК и Д в большой степени зависит эффективность конечного результата -- долговременная работоспособность объектов при минимальных затратах.

Технология должна предусматривать спектр различных конструкций контрольно-диагностических приборов -- от ручного до автоматизированного исполнения при рациональном сочетании их применения в процессах производства, испытаний и эксплуатации объектов.

Она должна иметь библиотеку алгоритмов и программ диагностирования, выполненных применительно к конкретным изделиям, операциям и задачам обнаружения дефектов.

Самый важный момент -- принятие решения о несоответствии изделия предъявляемым требованиям и прекращении его эксплуатации или функционирования -- должен быть особо отмечен и научно обоснован в технологии. Фундаментом этого решения является предварительно набранный статистический материал.

Диагностические технологии необходимо предварительно опробовать, они не могут содержать неразумных требований в виде "не допускаются никакие виды дефектов", должны работать только на опережение, надежно распознавать предаварийную ситуацию, никаким образом не допускать аварийной эксплуатации изделий. Главным становится не вычисление размеров дефектов (дефектометрия), а определение остаточного ресурса объекта контроля, степени риска его эксплуатации, создание соответствующих методик и стандартов по определению остаточного ресурса объектов.

Должен быть осуществлен переход от диагностики к эксплуатации по состоянию объектов, созданию и внедрению отраслевых систем диагностического обслуживания, предусматривающих сочетание диагностических обследований, оперативное устранение вскрытых дефектов и поддержание технического состояния объекта на должном уровне.

4. Организационное обеспечение НК и Д на международном уровне. В большинстве стран мира НК и Д осуществляют и развивают специалисты, работающие в университетах, институтах, на различных предприятиях государственного, муниципального, акционерного и частного уровней.

Достижения в неразрушающем контроле

К достижениям относятся разработка новых методов контроля и приборов для их реализации. Среди направлений научной работы важное место занимают ультразвуковые, вихретоковые и магнитные методы НК. В настоящее время бурно развивается направление, обеспечивающее бесконтактность измерений. В связи с этим выполнены исследования и разработка способов и оборудования для электромагнитно-акустического (ЭМА) ультразвукового контроля сплошности металлов, многопараметрового вихретокового контроля качества поверхности, структуры и физико-механических свойств электропроводных и (или) ферромагнитных материалов, магнитных средств обнаружения дефектов и оценки структуры материалов.

По ЭМА способу удалось решить главную задачу - обеспечить чувствительность не хуже, чем у «мокрых» ультразвуковых дефектоскопов.

Так, макетный образец ЭМА дефектоскопа, при контроле по катаной поверхности, обнаруживает в стали У7 прямыми преобразователями дисковый отражатель диаметром 0,9 мм на расстоянии до 170 мм. Решена задача полного исключения «мертвой» зоны. Т. е. обеспечивается обнаружение дефектов выходящих на поверхность и далее вглубь металла. Разработаны ЭМА способы, позволяющие выполнять контроль поверхности изделий послойно (от поверхности на разную глубину) с обнаружением дефектов на любой криволинейной поверхности, в том числе и прямоугольной формы. Например, обнаруживаются поверхностные дефекты глубиной более 0,5 мм, расположенные в подголовочной части рельса, при возбуждении УЗ импульсов на поверхности катания. Применение современных способов обработки информации позволило решить задачу толщинометрии труб, оболочек и пластин начиная с 1 мм при контроле по «черновой» поверхности. При этом точность измерения толщины составляет 0,03…0,1 мм, в зависимости от состояния поверхности.

Глубокая проработка теоретических основ электромагнитного неразрушающего контроля позволила разработать способы многопараметрового контроля характеристик изделий и материалов. Созданы образцы оборудования, позволяющие одновременно определять магнитную проницаемость, удельную электропроводность и температуру контролируемого материала. Величины магнитной проницаемости, удельной электрической проводимости, радиуса (или толщины) изделия позволили установить функциональные связи между этими параметрами и такими физико-химическими величинами, как прочность, пределы прочности и текучести, механические напряжения, температура, твердость, наличие доминирующей примеси, прочность, экспресс - анализ материала изделия, а также выполнить надежную разбраковку материалов по их маркам и радиусам или по толщинам цилиндрических и плоских изделий.

Разработаны классы вихретоковых преобразователей, позволяющие с очень высокой чувствительностью (соотношение сигнал/шум достигает 80…100) обнаруживать поверхностные и подповерхностные дефекты ферромагнитных и неферромагнитных металлов и определять форму обнаруженных дефектов. Результатом части этих разработок стал миниатюрный микропроцессорный дефектоскоп «Малыш» с семиразрядным индикатором глубины обнаруженного дефекта. Показания дефектоскопа практически не зависят от температуры и марки контролируемой стали или чугуна. Он работает по окисленной и загрязненной поверхности, при наличии слоев краски толщиной до 1…3 мм и электропроводных покрытий толщиной до 0,3 мм. Форма рабочей поверхности преобразователя может быть приспособлена к любой поверхности, которую необходимо контролировать.

Все разработанные электромагнитные многопараметровые методы и устройства позволили отработать оптимальную технологию изготовления деталей и узлов при изготовлении крупных физических установок и электродвигателей по допустимым значениям магнитной проницаемости и электропроводности. Удалось повысить КПД оборудования, сократить сроки отжига деталей и узлов, используемых при создании вакуумных камер для физических установок (стеллараторов, токамаков, ускорителей заряженных частиц) и др. Разработанные приборы позволяют определять толщину стенок, механическое напряжение (реальное и предельное) по электропроводности труб буровой колонны. Измерение этих характеристик позволяет предотвратить аварийные ситуации на буровой вследствие излома труб и падения колонны на глубину скважины.

Многопараметрические вихретоковые методы и средства были внедрены на ряде предприятий и заводах: Днепропетровский трубный завод; предприятие ПО УкрЭлектромаш (г. Харьков), Крестищенское управление буровых работ (г. Красноград); Харьковский центр "Физико-технический институт"; Запорожская атомная электрическая станция; Харьковский государственный центр стандартизации и сертификации; завод "Электромашины" и др.

Исследования магнитного метода обнаружения дефектов поверхности позволило разработать новые подходы к системам намагничивания изделий. Это позволяет в значительной части случаев проводить магнитный контроль в тесных малогабаритных объемах, насыщенных металлоконструкциями.

электромагнитный акустический ультразвуковой диагностика

Применение ЭМА способа для дефектоскопии изделий

Как и следовало ожидать, значительная часть работ по ЭМА дефектоскопии была посвящена контролю «сложных» изделий. К таким ОК относятся рельсы, которые имеют сложную форму. Их поверхность часто загрязнена окалиной, ржавчиной, маслом и т.п. Были предприняты шаги по организации их контроля в железнодорожном пути и в условиях производства. Критерием обнаружения дефекта являлось либо уменьшение амплитуды донного сигнала до определенной величины, либо регистрация отраженного от дефекта эхо сигнала, превысившего порог ограничения. Испытания приборов показали эффективность УЗ контроля рельсов ЭМА способом на загрязненных участках пути, а также при скоростях контроля больших, чем при контроле с пьезоэлектрическим искателем. Из последних разработок следует отметить описанный однониточный дефектоскоп для контроля рельсов в пути. В приборе используют три типа ЭМА преобразователей - прямые (сдвиговые волны) наклонные (сдвиговые SV волны) и преобразователь поверхностных волн. Зазор между ЭМАП и рельсом не превышает 1 мм. К со-жалению, авторы не указали, что же выявляет разработанный прибор. Следует отметить, что Западно-Европейское сообщество запланировало разработку вагона-дефектоскопа, в котором будут применяться ЭМА преобразователи.

Значительно эффективнее использование ЭМАП в условиях производства.

В последнее время ведутся интенсивные работы над установкой для ЭМА дефектоскопии бывших в употреблении рельсов на рельсосварочных предприятиях. Зазор между рабочей поверхностью ЭМАП и поверхностью катания головки рельса составляет 1 мм. (В установке ЭМА дефектоскопии рельсов на ОАО «Кузнецкий меткомбинат», воздушный технологический зазор достигал 10 мм). Для оптимального обнаружения дефектов принята схема прозвучивания рельса, базирующаяся на 5-ти ЭМАП. Используется эхо - импульсный и зеркально - теневой методы контроля. В установке УД - ЭМА - РСП 01 преобразователи рэлеевских волн работают на частотах 0.5 и 0.2 МГц. Глубина контроля ими оказывается равной, соответственно, 2,6 и 6,5 мм. В этой же работе сообщается, что в ходе опытно-промышленной эксплуатации установкой УД-ЭМА-РСП-01 на РСП-21 проконтролировано более 60000 погонных метров рельсов. Всего обнаружено 325 дефектов. По сведениям Горделия В.И. дефектоскопом АВИКОН-01 в тех же рельсах было обнаружено всего 181 дефект. Приведенные результаты подтверждают высокую эффективность ЭМА способа контроля в сравнении с традиционным контактным.

ЭМА способ может применяться для контроля непроклеев в соединениях металл-неметалл. Выявляются дефекты площадью довольно значительного размера (1 см2 и более на глубине до 50 мм) при производительности в автоматическом режиме 13--15 м2 поверхности изделия в час. Эти данные подтверждают высокую производительность ЭМА контроля.

Разработаны приставки к дефектоскопам типа ДУК-66, ДУК-6В, УД-10УА [100], предназначенные для импульсного эхо-метода контроля на рабочей частоте 2,5 МГц с импульсным подмагничиванием. Они выявляют дефекты, эквивалентные торцевому сверлению диаметром 5 - 10 мм на глубине до 120 мм. Сообщений о промышленных применениях этих устройств в литературных источниках не обнаружено.

Чувствительность ЭМА способа повышалась за счет использования формы контролируемого изделия. В заготовке круглого сечения за счет возбуждения акустических колебаний на участке поверхности равном радиусу ОК акустическое поле концентрируется в ее центре. Отношение амплитуды эхо-сигнала от сверления диаметром 1,5 мм и длиной 20 мм на оси заготовки к амплитуде донного сигнала (в отсутствие дефекта) равно 0,3--0,4. Ограничение такой методики обусловлено тем, что амплитуда эхо сигнала от такого же точно искусственного дефекта, но расположенного на расстоянии 10 мм от оси заготовки, на порядок меньше эхо сигнала от центрального сверления. В то же время такая методика контроля часто оправдана, т.к. в значительном количестве изделий подавляющая часть дефектов концентрируется в его центральной части.

В Челябинском политехническом институте был разработан дефектоскоп ДУКЛА-1 для автоматизированного контроля качества прикромочной зоны листа - заготовки для электросварных газопроводных труб диаметром 1220 мм. Реализован теневой метод контроля при скорости до 5 м/с. Максимальная толщина проката - 100 мм (сталь 17ГС). Выявляются дефекты эквивалентные расслоению площадью 15 мм2 и более.

Предприняты попытки создания дефектоскопов для контроля качества горячего проката. Первая система такого типа была испытана в 1973 г. на Челябинском трубопрокатном заводе в цехе по производству горячекатаных труб. В основе ее лежит эффект аномального увеличения коэффициентов прямого и обратного ЭМА преобразования в ферромагнетиках в районе температуры Кюри. Как сообщается. английская компания «Tube Investments Ltd.» успешно эксплуатирует системы для контроля горячего проката при температурах до 750°. Используются ЭМАП с водоохлаждаемым электромагнитом на рабочей частоте 1,4 МГц. Передающую катушку питают импульсами напряжения величиной 5 кВ. Зазор между изделием и ЭМАП составляет 0,5 мм. Авторы утверждают, что система уверенно обнаруживала дефекты типа строчечных включений протяженностью до 100 мм при скорости движения контролируемого изделия 10 м/с.

Для обеспечения стабильных условий при проведении ЭМА контроля применяют различные способы, которые устраняют влияние на результаты контроля погрешности из-за случайных изменений величины зазора между ЭМАП и поверхностью контролируемого ОК. Для этого измеряют резонансные частоты f_с и f₀ ЭМА преобразователя в отсутствие изделия, и при его установке над стандартным образцом с номинальным зазором, увеличивают зазор на заданную величину, определяемую особенностями следящей системы дефектоскопа. Измеряют при этом величину f изменения резонансной частоты ЭМАП и частоту f_p заполнения зондирующих импульсов тока выбирают из условия f_с f_p f₀ - f. Устанавливают номинальный рабочий зазор и частоту питания преобразователя так, чтобы амплитуда информационного сигнала была максимальной. Устанавливают максимальную условную чувствительность. В результате изменения зазора между преобразователем и поверхностью контролируемого изделия в заданном диапазоне не будут оказывать влияния на результат контроля.

Для решения аналогичной задачи устанавливают зазор между резонансным ЭМАП, питаемым радиоимпульсами тока, и изделием, возбуждают объемные ультразвуковые импульсы этим преобразователем, принимают отраженные импульсы и измеряют их амплитуды. С целью повышения чувствительности дефектоскопа, предварительно, перед установкой рабочего зазора, регистрируют зависимость амплитуды отраженных импульсов от зазора между преобразователем и изделием и устанавливают рабочий зазор соответствующим максимальному значению амплитуды отраженных импульсов. Такие технологические приемы целесообразно применять при контроле ЭМА способом.

Анализ известных работ позволил установить наличие научно-технической проблемы. Имеет место достаточно большое количество разработок и исследований, а эффективно работающих портативных приборов для ЭМА дефектоскопии изделий и материалов на рынке практически нет. Было установлено, что основной причиной, сдерживающей разработку эффективных ЭМА дефектоскопов, является традиционный подход к их построению. Многие удачные технологические и технические решения, полученные при разработке и эксплуатации автоматических дефектоскопических установок и толщиномеров, зачастую использовать невозможно. Учитывая тенденции по развитию ЭМА дефектоскопов и толщиномеров, были сформулированы и решены теоретические и практические аспекты поставленной проблемы. Суть решения заключается в следующем. Технологический процесс дефектоскопии, реализуемый при конструировании ЭМА приборов, должен состоять из трех основных этапов. Первый этап - формирование оптимизированного зондирующего сигнала с заданными параметрами - длительностью, частотой и функцией ее изменения, фазой и функцией ее изменения, амплитудой и функцией ее изменения. Этот этап выполняется с использованием микропроцессора, а затем сформированный сигнал усиливается мощным полосовым усилителем - ГЗИ. Второй этап - возбуждение и прием оптимального сигнала. Этот этап осуществляется ЭМАП с полосой пропускания, близкой к полосе информационного сигнала. Третий этап - оптимальная обработка информационной реализации с учетом известных характеристик исходного импульса (в виде реализации заданной длительности). Этот этап должен выполняться специальным и оптимальным фильтрами. Они могут быть осуществлены аналоговым или (и) цифровым устройством, или коррелятором.

Выше описанные принципы построения приборов для ЭМА контроля реализованы в универсальном двухканальном дефектоскопе. Один канал предназначен для обнаружения внутренних дефектов в ферромагнитных и не ферромагнитных изделиях и материалах импульсами ультразвуковыми сдвиговых колебаний длительностью 1-4 периода с частотой заполнения 1,8 7 МГц. Второй канал предназначен для дефектоскопии поверхностными и нормальными волнами в диапазоне частот 0,25-1,5 МГц. Этот канал также используется для наклонного ввода ультразвуковых импульсов в металл. Характеристики ЭМАП и аппаратной части, предназначенной для дефектоскопии сдвиговыми волнами, и технология обработки принятой информации аналогичны. Второй канал снабжен миниатюрными высокочувствительными раздельно - совмещенными преобразователями для дефектоскопии изделий с округлой или плоской поверхностями, или поверхностью, имеющей изломы до 90 градусов. При разработке этих ЭМАП удалось минимизировать усилие притяжения к ферромагнитному изделию, что существенно облегчило процесс сканирования. Внешний вид дефектоскопа показан на рисунке.

Исследования работы нового универсального ЭМА дефектоскопа позволили установить следующие его возможности. Он эффективно позволяет проводить контроль изделий из ферромагнитных материалов (сталь, чугун, сплавы) и неферромагнитных материалов (алюминий и его сплавы, сплавы на основе меди, некоторые сорта нержавеющих сталей аустенитного класса, сплавы на основе титана и др.). При использовании специальных преобразователей возможен контроль горячих ОК.

Прибор позволяет обнаруживать объемными сдвиговыми волнами эхо методом в ОК (ст. 45) отражатели, эквивалентные плоскодонному сверлению диаметром 1,2 мм, с отношением амплитуд сигнал/шум не менее 5, боковое отверстие диаметром 1 мм в прутке из латуни ЛС59 - 10-12, в алюминии - плоскодонный отражатель диаметром 0,8 мм - 8-10 соответственно. «Мертвая» зона (в зависимости от материала ОК, состояния его поверхности и взаимного расположения ЭМАП и поверхности изделия) составляет 3- 5 мм. ЭМА дефектоскоп позволяет выполнять, с помощью специальных ЭМАП, контроль зоны ОК от поверхности до глубины 30 мм (ст. 45) («мертвой» зоны нет даже для поверхностных дефектов). Одновременно с эхо-методом дефектоскоп позволяет выполнять контроль зеркально - теневым и комбинированным методами, а также измерять толщину. Лучевая разрешающая способность достигает 0,5 мм.

При контроле волнами Рэлея обнаруживаются дефекты на поверхности эквивалентные пазу глубиной 0,2 мм и более, длиной 5 мм и более с раскрытием до 0,001 мм, а также сквозные отверстия в трубных изделиях диаметром 1 мм и более.

Прибор по эхо каналу снабжен тремя уровнями срабатывания системы дефектоотметки с трехцветной и трехтональной звуковой индикацией, одним уровнем по зеркально - теневому каналу, двумя уровнями по каналу измерения толщины, а также гальванически развязанным релейным выходом.

Новый ЭМА дефектоскоп может использоваться для обнаружения внутренних и поверхностных дефектов рельсов, швеллеров, балок, труб, заготовок и прутков круглого и иного сечения, гибов различной формы, как в условиях производства, так и в условиях эксплуатации. Ограничением является требование к ОК - быть электропроводными и (или) ферромагнитными. При этом, как правило, зачистка поверхности изделий перед проведением контроля не требуется.

В заключение хотел бы отметить, что применение ЭМА способа в новом дефектоскопе дает второе дыхание зеркально - теневому методу контроля. Это обусловлено высокой, по сравнению с контактным способом, стабильностью амплитуд донных импульсов сдвиговых колебаний при высокой чувствительности к дефектам структуры материала, не дающим эхо сигналов достаточной интенсивности. Анализ известных исследований и разработок позволяет сделать следующие выводы:

1. ЭМА дефектоскопы и толщиномеры являются экономически высокоэффективными средствами, которые дополняют группу традиционных установок, приборов и устройств, использующих контактный вариант контроля.

2. Установлено, что для повышения чувствительности средств ЭМА контроля до уровня традиционных приборов необходимо:

o перейти от ударного возбуждения к питанию ЭМА преобразователей пакетными импульсами тока;

o формировать информационный импульс с индивидуальными признаками - частотой заполнения, длительностью, амплитудой, ориентацией вектора поляризации и фазой;

o выделять информационный сигнал с учетом сформированных ранее индивидуальных признаков;

o применять корреляционные методы обработки принятых ЭМАП реализаций.

3. Для реализации принципа повышения чувствительности ЭМА приборы они должны быть обеспечены полосовыми генераторами пакетных импульсов тока, полосовыми ЭМАП, фильтрами и усилителями, а также аналоговыми или цифровыми корреляторами.

4. Показана техническая осуществимость высокоэффективных приборов для контроля ЭМА способом, с использованием эхо метода, металлоизделий в нагретом и нормальном состоянии с высокой чувствительностью, малой «мертвой зоной», высокой производительностью. Эти приборы дополняют группу дефектоскопов, толщиномеров и устройств, предназначенных для определения физико-механических свойств материалов.

Заключение

Развитие методов НК относится к числу наиболее приоритетных направлений научно-технического прогресса. Это объясняется тем, что методы НК позволяют не только контролировать, но и управлять качеством продукции, предсказывая ее свойства, параметры, при отказе изделий. В связи с усложнением современных промышленных изделий и использованием новейших конструкционных материалов, имеющих сложную внутреннюю структуру, а также с повышением требований к надежности новой техники объем контрольных операций в промышленности резко возрастает. В настоящее время контроль качества является самой массовой технологической операцией в производстве, поскольку ни одна деталь не может быть изготовлена без измерения ее технологических параметров.

Размещено на Allbest.ru