Вихровотоков безразрушаващ контрол

Измервателна техникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 3, 2014

Вихровотоков безразрушаващ контрол

Eдин от съвременните високотехнологични методи за безразрушаващ контрол е вихровотоковият. При него се анализират резултатите от взаимодействието на приложеното външно електромагнитно поле с електромагнитното поле на вихровите токове, създадени в изследвания обект от същото това външно поле.

Намира основно приложение в индустрията, самолетостроенето, технологичния и експлоатационния контрол на турбини, генератори, авиационни двигатели, заварени съединения, контрол на диелектрични покрития, биметални материали и други обекти и съоръжения, за които има определени изисквания.

Принцип на действие
Физичните процеси, протичащи при приложението на този метод, най-общо са показани на фиг. 1. Протичащият високочестотен променлив ток през бобината на вихротоковата сонда генерира променливо електромагнитно поле по повърхността на изследвания обект. Създава се магнитен поток, който индуцира вихрови токове в изследвания обект.

Вихровите токове, от своя страна, също създават магнитен поток, който противодейства на основния. Именно това противодействие се отчита от електронната апаратура, тъй като неговият интензитет е в пряка зависимост от характеристиките на изследвания обект. Основните методи за вихровотоков контрол могат се определят от вида на измервания параметър – aмплитуден, фазов, амплитудно-фазов, честотен, многочестотен, импулсен, диференциален, спектрален.

Вихровотоковият контрол се осъществява чрез апаратура, включваща дефектоскопи или дебеломери и специални преобразуватели. Тези преобразуватели се състоят от една или няколко индуктивни намотки, предназначени за възбуждане в изследвания обект на вихрови токове и преобразуване на зависещото от параметрите на обекта електромагнитно поле в полезен информативен сигнал.

Опростеният вариант на преобразувателна сонда съдържа най-често една бобина, която е предназначена да възбуди в изследвания обект вихрови токове и втора измерителна бобина, която служи за преобразуване на създаденото от вихровите токове поле в полезен сигнал. Трансформаторните преобразуватели съдържат не по-малко от две индуктивно свързани бобини – възбуждаща и измерителна.

Според своето предназначение преобразувателите могат да бъдат:
абсолютни, при които сигналът се определя от абсолютната стойност на параметъра на изследвания обект;
диференциални, при които сигналът се определя от нарастването на параметъра на изследвания обект;
параметрични, преобразуващи контролирания параметър в активно, реактивно или комплексно съпротивление.

Според поставената задача преобразувателите конструктивно могат да бъдат контактни, безконтактни, проходни, вътрешни, външни и др. Едни от най-разпространените са външните проходни преобразуватели, които представляват индуктивна намотка, през чийто вътрешен отвор преминава контролираното изделие.

Тези преобразуватели лесно се реализират конструктивно, което ги прави широко използвани при технологичен контрол в производствени условия на масова продукция на тръби, стоманени телове, ленти и др. Чрез комбинация от няколко такива преобразувателя може да се осъществява комплексно изследване на изделията за откриване на несъвършенства, определяне на техните физико-механични свойства като твърдост, якостни характеристики, качеството на термообработка и др.

По този начин се постига висока производителност поради възможността за скоростен автоматизиран контрол. Разбира се, те отстъпват на контактните преобразуватели, с които може да се извърши локална оценка на определена област и част от изследваното изделие.

Точност на метода при различни приложения
Вихровотоковият контрол намира масово приложение при измерване на дебелината на диелектрически покрития, които се намират на външната повърхност на полуфабрикатите или готовите изделия.

Тези покрития изпълняват най-често защитни функции. Самите те трябва да бъдат със строго определена дебелина, която надеждно да гарантира качеството и характеристиките на изделието, определени в техническите изисквания и да обезпечават надеждно неговата защита.

По време на експлоатация на изделието този слой закономерно се износва и там където неговото измерване с традиционните методи е затруднено, се прилага методът на вихровите токове. Това се осъществява най-вече при изделия, изработени от електропроводими, но не феромагнитни материали.

При тях се използват преобразуватели, които се придвижват по външната повърхност на изделието. Промяната на дебелината на покритията обикновено се характеризира с малко увеличаване на междината между металната основа на изделието и измерващата повърхнина на преобразувателя, при което се приема, че получените резултати са достатъчно достоверни с използваните обикновени устройства за линеаризация.

При увеличена дебелина на диелектричния слой, най-вече в стадия на производство, относителната грешка нараства поради намаляване на абсолютната чувствителност на преобразувателя към дебелината на покритието, което се регистрира от специализираната апаратура.

Основни фактори, влияещи на точността на измерване дебелината на слоя от диелектрик, е специфичната електропроводимост на металната основа на изделието, наличие на определени геометрични изменения на повърхността като кривини, изпъкналости, грапавост, а също и различни замърсявания.

В тези случаи грешката при измерване се увеличава, тъй като се налага увеличаване на разстоянието между преобразувателя и електропроводящия слой на обекта, а оттук и неточно определяне дебелината на диелектричния слой.

Грешката от разликите в специфичната електрическа проводимост може да се намали, ако се увеличи честотата на тока, захранващ възбудителната намотка на преобразувателя. При тези измервания конкретните стойности на работната честота се определят от диапазона на измерваната дебелина и минималната стойност на специфичната електропроводимост на основния материал.

Важно е да се знае, че в областта на малките дебелини чувствителността към дебелината на покритието е максимална, поради което измерванията се реализират с обикновени дебеломери, работещи по амплитуден метод. При тях дебелината се измерва чрез поставяне на сондата директно върху измерваната повърхнина без наличие на въздушна междина.

Предварително нулиране и калиброване на дебеломера се извършва като сондата му се постави върху повърхността на изделие без покритие, а след това върху контролен образец с максимална за съответното изделие дебелина на покритието.

Широкото разпространение на дебеломерите от този тип се дължи на относително опростената конструкция, лесната настройка и приложение. Основните недостатъци са появата на въздушна междина между сондата и повърхността на изделието поради грапавост, изкривявания, замърсявания, корозия и др.

Друго важно приложение на контрола чрез вихрови токове е измерването на двуслойни изделия, съставени от проводящо покритие, нанесено върху проводящ материал. Това е един от най-сложните методи за контрол, тъй като в общия случай при феромагнитните материали има шест параметъра, влияещи на сигнала, плюс въздушната междина между сондата и обекта. За неферомагнитни слоеве тези параметри се редуцират до четири.

Интересно е приложението на вихровотоковия контрол и при измерване на многослойни изделия. Такива са изделията с многослойни защитни покрития като антикорозийната комбинация от мед-никел-хром. Друго такова е трислойният полуфабрикат под формата на листов прокат, съставен от алуминиеви сплави, плакирани с тънък слой от чист алуминий, предпазващ склонната към корозия твърда алуминиева сплав, която се явява основа на дадена конструкция.

Разбира се, съществуват и други комбинации от изделия с многослойни структури. Това е и основната причина за разработване на апаратура и алгоритмична схема на обработка на сигналите със строго индивидуален характер.

В тези случаи не могат да бъдат използвани универсални апарати и сонди поради сложната зависимост на приложените напрежения от различни влияещи фактори, както и различни комбинации от специфични електрически проводимости на слоевете. Обикновено се изработва апаратура за изследването на конкретен обект в зависимост от поставената задача, но икономическият ефект от контрола напълно оправдава направените разходи.

Предимства и недостатъци
Вихровотоковият метод, както всички методи за безразрушаващ контрол, има своите предимства и недостатъци. Към предимствата могат да се изброят следните: висока чувствителност към малки пукнатини и други дефекти; възможност за откриване на повърхностни или подповърхностни дефекти; висока мобилност на апаратите за полева работа; възможност за автоматизиран високоскоростен технологичен контрол в производствени условия; минимални изисквания за подготовка на повърхността.

Съществуват и ред ограничения като изискване за наличие на контролни образци и специални преобразуватели, относително скъпа апаратура, зависимост от грапавината и геометричните особености на изследваната повърхнина, разширена схема на обучение на операторите в сравнение с другите методи, нечувствителност към дефекти от типа на разслоенията в метала.

Независимо от това, вихровотоковият метод за безразрушаващ контрол е един от най-развиващите се методи, гарантиращ висока степен на експлоатационната надеждност на отговорните обекти и съоръжения.

д-р инж. Радостин Касъров, експерт по MТ

Новият брой 2/2018

брой 2-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top