Вихретоковый неразрушающего контроля

Обнаружение дефектов в металлических  деталях токовихревым методом базируется на законе электромагнитной индукции, по которому переменное магнитное поле возбуждает в них вихревые токи. Как известно, вихревые токи замыкаются в толще металла и поэтому  не могут быть непосредственно использованы для обнаружения дефектов. Поэтому  в основу токовихревого метода положено наблюдение за такими процессами, которые  всегда сопутствуют вихревым токам  и наряду с этим могут наблюдаться  вне контролируемой детали, создается  намагничивающей катушкой, которая  питается от источника переменного  тока.

 По закону электромагнитной  индукции в поверхностном слое  металла возникнут вихревые токи, замкнутые контуры которых охватывают  линии переменного магнитного  поля. Вихревые токи, как всякие  электрические токи, создают свое  магнитное поле, которое в отличие  от поля катушки является вторичным.  По правилу Ленца вторичное  переменное поле в каждый момент  времени противоположно первичному, т.е. ему противодействует. Взаимодействие  поля вихревых токов (вторичного  поля) с полем катушки (первичное  поле) вызывает изменение ее электрических  параметров. Таким образом, наличие  вихревых токов в контролируемой  детали косвенным образом может  быть установлено по изменению  электрических параметров намагничивающей  катушки. Изменение индуктивного  сопротивления намагничивающей  катушки при контроле немагнитного  материала (цветного металл) происходит  иначе, чем при контроле магнитного  материала. В немагнитном металле  противодействующее поле вихревых  токов уменьшает первичное поле 

 Одной из наиболее часто встречающихся в практике промышленной дефектоскопии задач является контроль концевых деталей – различных (в том числе, резьбовых) фланцев, переходных соединений и т. п. Необходимость неразрушающего контроля таких деталей особенно очевидна во многих отраслях промышленности, например в авиа- и судостроении, при монтаже тепловых электростанций, прокладке различных трубопроводов. В указанных отраслях к концевым деталям предъявляются особенно высокие требования по прочности, надежности и долговечности соответствующих соединений ввиду жестких условий эксплуатации.

 К наиболее опасным  дефектам, возникающим в процессе  эксплуатации концевых деталей,  относятся трещины усталостного  характера, как выходящие на  поверхность детали (сквозные), так  и залегающие вблизи нее. При  разбраковке изделий необходимо  учитывать, что реальная длина  дефектной области состоит из  собственно длины трещины плюс  длины зон пластической деформации  на ее концах, поэтому даже  короткая трещина недопустима.  Такие трещины являются наиболее  трудно выявляемыми, их невозможно  предотвратить, они значительно  снижают прочность конструкции  соединения.

 Вследствие возможной  сложной формы (изгибы, резьба  с большим шагом и т.п.), для  контроля состояния концевой  детали - обнаружения трещин, выходящих  на поверхность, или расположенных  около нее - могут быть использованы  лишь немногие из известных  методов неразрушающего контроля, а именно ультразвуковой, магнитный,  вихретоковый и рентгенографический.

 Как показали исследования, проведенные сотрудниками Всероссийского  научно-исследовательского института  авиационных материалов (Москва) под  руководством Е.А. Косариной, чувствительность ультразвукового, магнитного и вихретокового методов в значительной степени зависит от чистоты обработки концевой детали в процессе изготовления и степени ее предварительной подготовки перед контролем. Например, обнаружение трещины с раскрытием (шириной) в диапазоне 1-10 мкм возможно лишь при обработке детали не хуже, чем по пятому классу, а при чистоте обработки детали по 3-4 классу раскрытие трещины соизмеримо со следами рисок (следов от обрабатывающего инструмента), что делает трещину практически невыявляемой. То есть для проведения исследования одним из трех первых методов необходима предварительная обработка поверхности и, кроме того, имеется возможность анализа лишь поверхностных трещин, или трещин, находящихся вблизи поверхности. Обнаружение дефектов в металлических деталях токовихревым методом базируется на законе электромагнитной индукции, по которому переменное магнитное поле возбуждает в них вихревые токи. Как известно, вихревые токи замыкаются в толще металла и поэтому не могут непосредственно использоваться для обнаружения дефектов. Поэтому в основу токовихревого метода положено наблюдение за такими процессами, которые всегда сопутствуют вихревым токам и наряду с этим могут наблюдаться вне контролируемой детали. Переменное магнитное поле в контролируемой детали создается намагничивающей катушкой, которая питается от источника переменного тока.

 Классификация  и применение вихретоковых преобразователей (ВТП).

 В настоящее время  разработано большое количество  типов и разновидностей ВТП.  Для более правильного использования  целесообразно знать их классификацию.  Можно предложить несколько различных  классификационных признаков. 

 По рабочему положению  относительно объекта контроля  преобразователи делят на проходные,  накладные и комбинированные. 

 Проходные ВТП делятся  на наружные, внутренние, погружные. Особенность проходных ВТП заключается в том, что они в процессе контроля проходят либо снаружи объекта, охватывая его (наружные), либо внутри объекта (внутренние), либо погружаются в жидкий объект (погружные). Они имеют однородное поле в зоне контроля, в результате чего радиальные смещения однородного объекта контроля не влияют на выходной сигнал преобразователя.

 С помощью наружных  проходных ВТП контролируют линейно  протяженные объекты (проволоку,  прутки, трубы и т. д.), осуществляют  массовый контроль мелких изделий.  С помощью внутренних проходных  ВТП контролируют внутренние  поверхности труб, баллонов, а также  отверстий в различных деталях.  Погружные ВТП применяют для контроля жидких сред, экранные проходные - для контроля труб, щелевые - для контроля проволоки.

 Накладные ВТП обычно  представляют собой одну или  несколько катушек, к торцам  которых подводится поверхность  объекта. Накладные преобразователи  могут иметь катушки круглые  коаксиальные, прямоугольные, прямоугольные  крестообразные, катушки с взаимно  перпендикулярными осями. 

 Накладные ВТП обладают  большими возможностями для контроля, чем проходные. Они позволяют  контролировать геометрические  и электромагнитные параметры  ОК сложной формы. Они применяются также, когда надо обеспечить локальность и высокую чувствительность контроля.

 Комбинированные ВТП представляют собой комбинацию проходных возбуждающих катушек и накладных измерительных катушек.

 По типу преобразования  параметров ОК в выходной сигнал ВТП подразделяются на параметрические и трансформаторные. Преимущество параметрических ВТП заключается в их простоте, а недостаток, который значительно слабее выражен в трансформаторных ВТП, в зависимости выходного сигнала от температуры преобразователя.

 По способу соединения  катушек (обмоток) ВТП подразделяются  на абсолютные и дифференциальные. Абсолютным называют ВТП, выходной сигнал которого определяется абсолютными значениями параметров ОК в зоне контроля. Дифференциальным ВТП принято называть совокупность двух ВТП, обмотки которых соединены таким образом, что выходной сигнал определяется разностью параметров ОК соответствующих зон контроля.

 Выбор оптимальной  частоты намагничивающего поля  для дефектоскопирования металла с определенной электрической проводимостью и магнитными свойствами определяется в основном глубиной залегания трещин, которые должны быть обнаружены. Так как контролю подвергается только слой металла, прилегающий к поверхности детали, то для обнаружения трещин с минимальной глубиной залегания выбирается достаточно большая частота с тем, чтобы глубина проникновения вихревых токов не превышала долей миллиметра. Недостатком метода при использовании накладной намагничивающей катушки является большая чувствительность к изменению расстояния между катушкой и поверхностью детали. Поэтому наличие промежуточных слоев (оксидные пленки, защитное покрытия и др.), а так же неровности на поверхности испытуемой детали приводят к существенным изменениям электрических параметров намагничивающей катушки.

Вихретоковый контроль применяется в следующих отраслях:

- Авиастроение (авиация). Вихретоковый контроль применяется как на этапе производства самолетов, вертолетов и др. авиационной техники, так и в процессе их эксплуатации. Вихретоковым методом контролируют крылья, фюзеляжи, колесные диски, компоненты двигателей, роторы, оси, крепежные отверстия.

- Судостроение. Контроль  вихретоковым методом неразрушающего контроля судов, обшивок кораблей и пр.

- Автомобилестроение и  диагностика автомобилей. 

- Нефтегазовая отрасль.  Вихретоковый контроль нефтепроводов, трубопроводов, газопроводов, резервуаров и др. объектов.

- Строительство. Вихретоковый контроль металлических строительных конструкций, сварных швов для поиска трещин, прожигов и т.п.

- Контроль лакокрасочных,  гальванических, защитных, изоляционных  и других покрытий на металлических  основаниях.

Вихретоковый контроль сварных соединений позволяет обнаруживать микротрещины на поверхности и непосредственно под поверхностью металлоконструкций и сварных соединений, выявлять степень износа и усталости металла в местах изгибов. Вихретоковый контроль сварных соединений дает более точные результаты по сравнению с капиллярным контролем сварных швов (цветная или капиллярная дефектоскопия сварных швов).

Приборы вихретокового контроля (вихретоковые приборы):

- Вихретоковый дефектоскоп (вихретоковая дефектоскопия)

- Вихретоковый толщиномер (вихретоковая толщинометрия, толщиномеры покрытий)

- Вихретоковый измеритель электропроводимости металлов и сплавов (измеритель электропроводности)

- Вихретоковый структуроскоп (вихретоковая структуроскопия)

- Ферритометр (измеритель ферритной фазы)

Вихретоковый дефектоскоп (Eddy current flawdetector) - прибор, основанный на методах вихретокового неразрушающего контроля и предназначенный для выявления дефектов объекта контроля типа нарушений сплошности. Дефектоскоп вихретоковый, реализующий вихретоковый метод, обнаруживает различные трещины, расслоения, закаты, раковины, неметаллические включения и т.д.

Вихретоковый толщиномер (Eddy current thickness gauge) - прибор, основанный на методах вихретокового неразрушающего контроля и предназначенный для измерения толщины объекта контроля. Объекты контроля вихретоковым толщиномером могут быть как однослойные, так и многослойные. Толщиномер, основанный на вихретоковом методе, применяется для контроля толщины электропроводящих листов, пленок, пластин, покрытий на них, стенок труб, цилиндрических и сферических баллонов и т.д.

Вихретоковый структуроскоп (Eddy current structuroscope) - прибор, основанный на методах вихретокового неразрушающего контроля и предназначенный для контроля физико-механических свойств объектов, связанных со структурой, химическим составом и внутренними напряжениями их материалов.

Преимущества  вихретокового метода контроля:

- Отсутствие контактной  жидкости между вихретоковым датчиком и объектом контроля (в отличие от ультразвукового метода);

- Возможность измерения  через зазор от долей миллиметров  до нескольких миллиметров (без  контакта преобразователя и объекта);

- Высокая чувствительность  к микроскопическим дефектам, расположенным  непосредственно на поверхности  либо близко к поверхности  контролируемого металлического  объекта (подповерхностные дефекты).

- Высокая точность и  повторяемость выявления дефектов;

- Высокая скорость контроля;

- Минимальные требования  к состоянию поверхности; 

- Возможность контроля  покрытий и через покрытия;

- Возможность контроля  объектов со сложной геометрией, мест трудного доступа; 

- Вихретоковый метод не представляет опасности здоровью оператора.