Контроль вихревым током неферромагнитных трубок
HX ECT / УРОВЕНЬ II
Глава 1
Принципы вихретокового контроля
1. Принципы вихретокового контроля
Принципы вихретокового контроля зависят от процесса электромагнитной
индукции. Этот процесс включает в себя контрольную катушку, через которую
передается изменяющийся по величине, или переменный, ток. Изменяющийся по
величине поток, протекающий по испытательной катушке, производит переменное
электромагнитное поле вокруг катушки. Это поле известно как первичное поле.
Когда объект электропроводных испытаний располагается в первичном поле,
электрический ток в объекте испытаний редуцируется. Данный ток известен как
вихревой ток. На Рисунке 1.1 изображена простейшая модель, иллюстрирующая
соотношение первичных и редуцированных (вихревых) токов.
По правилу Ленца, указывающего моментальное направление первичного тока
(IP), первичное поле (φр) образуется вокруг Проводника А. Когда Проводник Б
подвергаются воздействию φp, поток вихревых токов (IE) в материале производит
вторичное электромагнитное поле (φE) в материале напротив первичного
электромагнитного поля (φP). Значение φЕ прямо пропорционально значению IE.
Характерные изменения в Проводнике Б, такие как проводимость, проходимость
или геометрия заставят IE изменяться. Когда IE изменяется, то изменяется и φЕ.
Изменения φЕ отражаются на Проводнике А изменениями в φР.
Эти изменения обнаружены и показаны на одном из типов механизма считывания,
который относит эти изменения к вариациям интересующих параметров.
Рисунок 1.2 - один из возможных видов контрольной катушки под напряжением.
Это - статическое представление магнитных линий силы вокруг испытательной
катушки без нагрузки. При размещении катушки около электрически проводящего
материала, ее переменное магнитное поле будет взаимодействовать с материалом и
позволять нам выполнять наш вихретоковый контроль.
Электромагнитное поле, образованное вокруг контрольной катушки без
напряжения, как на Рисунке 1.2, может быть описано как уменьшающееся в
интенсивности с расстоянием от катушки и также изменяющееся вдоль
поперечного сечения катушки. Электромагнитное поле является самым
интенсивным около поверхности катушки.
Поле, образованное вокруг данной катушки, прямо пропорционально величине
наложенного тока, уровню изменения тока (или частоты), и параметрам катушки.
Параметры катушки включают индуктивность, диаметр, длину, толщину, число
поворотов провода и материал сердцевины.
Еще раз взглянем на моментную взаимосвязь между током и магнитным потоком.
Намагничивающий ток подается на катушку генератором переменного тока или
генератором колебаний.
С потоком первичного тока (IP), проходящим через катушку, первичное
электромагнитное поле (ΦP) образуется вокруг катушки. Если поместить эту
контрольную катушку под напряжением на электропроводимый объект
испытаний, то вихревые токи (IE) будут образовываться в этом объекте испытаний .
Рисунок 1.3 иллюстрирует взаимодействие и распределение этой энергии в
материале.
Обратите внимание на направление IP и возникающего вихревого потока IE.
Несмотря на то, что рисунок 1.3 показывает IE стрелками-указателями на
поверхности объекта испытания, IE расширяется в объекте испытания на некоторое
расстояние. Другое важное наблюдение состоит в том, что IE образуется в той же
самой плоскости, в которой обмотана катушка. Рисунок 1.4 подчеркивает эту
мысль с контурной катушкой, окружающей цилиндрический объект испытания(4).
Для достижения достоверного обнаружения искомой неоднородности, нормальный
вихреток должен обрываться. Поскольку катушка проходит по показанным
неоднородностям, мы, вероятно, могли бы обнаружить состояние A и B, но мы не
смогли бы обнаружить состояние C. Его главная ось находится в той же самой
плоскости, что и вихревой поток.
Более точным метод описания отношений магнитного потока, напряжения и тока
является схема волнового вектора, или векторная диаграмма (4).
Рисунок 1.5 показывают результаты векторной диаграммы для катушки не под
напряжением. Компоненты Рисунка 1.5. следующие:
Ток (I) и первичный магнитный поток (Фp) появляется в фазе, а первичное
напряжение (Ep) показывается отдельно под углом 90 электрических градусов.
Вторичный магнитный поток (Фs) появляется на нуле, так как без объекта
испытания не возникает никакого вторичного потока.
На рисунке 1.6 представлены действия по размещению объекта неферромагнитных
испытаний в контрольной катушке.
Ниже представлены компоненты векторной диаграммы 1.6 для катушки под
напряжением:
ЕР = Первичное напряжение катушки
ЕS = Вторичное напряжение
ЕT = Напряжение катушки под
напряжением
I = Ток возбуждения
ΦР = Первичный магнитный поток
ΦS= Вторичный магнитный поток
ΦТ =Магнитный поток катушки под
напряжением
Глядя на Рисунок 1.6 можно увидеть, что благодаря векторному сложению ЕР и ЕS,
получается новое напряжение катушки (ЕТ) для условий под напряжением.
Первичный магнитный поток ΦР и вторичный магнитный поток ΦS также
объединяются благодаря векторному сложению для образования нового
магнитного потока ΦT для катушки под напряжением.
Заметьте, что для нагруженного состояния (испытательный объект в
испытательной катушке)), ΦT не находится в фазе с током возбуждения (I). Также
обратите внимание, что угол между током возбуждения и новым напряжением
катушки ЕT не превышает 90 электрических градусов. Более подробно об этих
взаимодействиях будет сообщено позже.
Распределение потоков вихря в испытательном объекте изменяется по экспоненте.
Плотность тока в испытательном объекте является самой высокой около
испытательной катушки. Эта экспонентная плотность следует математическим
законам для естественной кривой затухания по экспоненциальному закону (1/e),
где e (эпсилон) составляет 2,718. Как правило, естественная экспоненциальная
кривая иллюстрируется на графике осью ординат (Ось Y), определяющей
величину, и осью абсцисс (Ось X), определяющей время или расстояние. Точка
пересечения, полученная на таком графе, является "изгибом" кривой. "Изгиб"
происходит в точке 37 процентов на оси ординаты. Эта 37-процентная точка, или
"изгиб", выбрана потому, что изменения величины по Оси X вызывают
существенные изменения в величине по Оси Y со 100 процентов до 37 процентов.
Ниже точки в 37 процентов изменения в значениях оси X вызывают менее
существенные изменения в величинах Оси Y.
С применением этой логики к вихретоковому контролю были разработаны условия
для описания отношения плотности тока в испытательном объекте. Принимая
потоки вихря, образующиеся у поверхности объекта испытаний, ближайшей к
катушке, равной 100% действующего тока, точка толщины объекта испытаний, где
ток уменьшен до 37%, известна как "стандартная глубина проникновения" (4). На
Рисунках 1.7 и 1.8 показана относительна плотность тока вихря для плоской волны
бесконечной степени с магнитным полем, параллельным проводимой поверхности
объекта испытаний.
Потоки вихря не образуются одновременно на всем протяжении образца для
испытаний. Для проникновения в образец для испытаний им требуется время. Фаза
и время аналогичны; то есть, фаза - электрический термин, используемый для
описания временную зависимость электрических форм волны.
Фаза обычно выражается в степенях или радианах. На 360 градусов приходятся 2π.
Следовательно, каждый радиан составляет приблизительно 57 градусов.
Рисунок 1.8: Угол фазы вихретоков / «Запаздывание радиан»
Частота становится нашей преобладающей переменной. Поскольку различные
частоты применены к тому же самому набору состояния материалов, мы бы
ожидали видеть на дисплее различные отклики. "Более высокая" частота диапазона
показала бы большее распространение фазы для того же самого набора
переменных, чем бы мы могли увидеть, рассматривая "более низкую" частоту.
Используя угол фазы поверхностного тока около испытательной катушки в
качестве ссылки, угол фазы тока глубже в испытательном объекте изолирует
поверхностный поток. Рисунок 1.8 должен использоваться в качестве
относительного индикатора задержки фазы. Точная фазовая зависимость для
конкретной системы может отличаться из-за различных переменных, таких как
параметры катушки и методы возбуждения.
На рисунке 1.9 показано, что в данной частоте диапазон откликов от дефектов
различной глубины должен бы создать изменяющийся образец на дисплее. Эти
образцы позволили бы нам видеть относительную разницу во "времени" или
"фазе", поскольку электромагнитная форма волны выходит от катушки еще
дальше.
Рисунок 1.9. /Отклики от дефектов по стандарту ASME по «первичной» частоте
На рисунке 1.10 показаны изменения изображения, когда мы смотрим на тот же
самый дефект (60%-ый FBH) в двух различных частотах. Заметьте, что мы видим
изменение и в фазе и в амплитуде. Оба из этих изменений происходят из-за
различий в глубине проникновения потока вихря в этом тесте.
Рисунок 1.10 / Отклик при 60%-ый FBH
Глава 2. Расположение Испытательной Катушки
Испытательные катушки могут быть категоризированы на три главные
механические группы. Это тестовые катушки, проходные катушки и охватывающие
катушки.
Тестовая катушка: Поверхностная катушка, тестовая катушка, плоская катушка или
спиральная катушка - общие термины для описания одного и того же типа
испытательной
катушки. Тестовые катушки обеспечивают удобный метод
исследования поверхности испытательного объекта. На Рисунке 2.1 показано
множество типичных катушек исследования, используемых для поверхностного
осмотра.
Для решения сложных инспекционных задач катушки исследования и формы
катушки исследования можно подстраивать под соответствующие геометрические
конфигурации. Например, катушки исследования, изготовленные в форме
карандаша (датчик с измерительным наконечником), используется для осмотра
резьбового пространства крепежных винтов и гаек или зубчатых пространств
турбинных колес и блока турбинных лопастей. Тестовые катушки могут
использоваться там, где требуется высокая разрешительная способность при
добавлении ограждения катушки.
При использовании катушки исследования с высокой разрешительной
способностью, поверхность испытательного объекта должна быть тщательно
просканирована для обеспечения полного покрытия зоны контроля. Это подробное
сканирование весьма трудоемкое. Поэтому осмотры катушки исследования
больших испытательных объектов обычно ограничиваются критическими
областями. Катушки исследования обширно используются при осмотрах в
самолетостроении для обнаружения трещин на крепежах и крепежных отверстиях.
В случае крепежных отверстий (болтовых отверстий, заклепочных отверстий),
катушка исследования вращается, будучи удержанной на одной скорости. Это
обеспечивает винтовое сканирование отверстия при использовании техника
"вращающееся обследование".
Охватывающая катушка: Охватывающая катушка, катушка наружного диаметра, и
"проходная катушка" - все это термины, обычно используемые для описания
катушки, которая окружает испытательный объект. Рисунок 2.2 иллюстрирует
типичную катушку окружения.
Окружающие катушки используются прежде всего для осмотра трубчатых и
стержневидных изделий. Труба или стержень подаются через (проходную) катушку
на относительно высокой скорости. Вся окружность испытательного объекта
испытывается одновременно в пределах испытательной катушки по окружности
электрическими вихретоками. Поэтому направленные по
окружности
неоднородности не могут быть достоверно обнаружены при помощи катушки
окружения.
При использовании катушки окружения за один промежуток времени
осматривается намного больше объема материала, чем при использовании
тестовой катушки; поэтому, относительная чувствительность для катушки
окружения ниже. Используя катушку окружения, важно сохранять испытательный
объект в центре катушки. Если испытательный объект не центрован, то будет
трудно получить отклик об однородной неоднородности. В нормальной практике
принято применять калибровочный эталон несколько раз, каждый раз индексируя
искусственные неоднородности на новом месторасположении в окружности в
катушке.
Данная процедура используется для обеспечения надлежащей
чувствительности и надлежащей центровки испытательного образца.
Проходная катушка : Проходная катушка , катушка наружного диаметра, а также
внутренний датчик описывают
катушки, используемые для осмотра по
внутреннему диаметру или цилиндра трубчатого испытательного объекта. Катушки
на карскассе вставляются и вынимаются по наружному диаметру трубы длинными
полугибкими ручками или просто додуваются воздухом и вынимаются обратно за
привязанный трос. Эти механизмы будут описаны в тексте позднее. Информация о
работе проходной катушки соответствует тем же самым основным правилам,
указанным для охватывающей катушки. Рисунок 2.3 иллюстрирует концепцию
типичной проходной катушки.
Рисунок 2.3 Проходная катушка
Зондовые, охватывающие и проходные катушки могут быть классифицированы
дополнительно. Эти дополнительные классификации определяются электрическим
подключением катушек. Существует три категории катушек: абсолютные,
дифференциальные и гибридные.
Рисунок 2.4.
Различные типы расположения Абсолютных и Дифференциальных катушек.
Абсолютная Катушка: абсолютная катушка может быть определена как делающая
измерения без прямой привязки или сравнения с эталоном, как обычно делается
измерение.
Иногда системы абсолютных катушек и используют для измерения проводимости,
проходимости, габаритов и жесткости.
Дифференциальная катушка: дифференциальная катушка состоит из двух или
больше катушек, электрически связанных для противодействия друг другу.
Дифференциальные катушки могут быть категоризированы на два типа. Первый "дифференциальный самосравнительный," и второй "дифференциальный,
внешнего обращения."
Дифференциальная самосравнительная катушка сравнивает одну область
испытательного объекта и другую область на том же самом испытательном
объекте. Обычно используются две катушки, связанные меж собой для
противодействия друг другу, так, чтобы, если на обе катушки будут действовать
идентичные испытательные переменные, чистый выход будет оставлять "0", либо
не будет никаких изменений сигнала. Расположение катушек для самосравнения
нечувствительно для проверки постоянно возникающих переменных объектов
испытаний.
При применении дифференциальной катушки самосравнения чувствительность при
измерении таких переменных, как медленно изменяющаяся толщина стенок,
диаметр или проводимость, значительно мала.
Выходной сигнал генерируется только при изменяющихся условиях,
воздействующих на одну или другую испытательную катушку. Так как катушки
обычно механически и электрически аналогичны друг другу, расположение
достаточно стабильно в отношении температурных изменений. Короткие
неоднородности, такие как трещины, ямы или другие локализованные
неоднородности с резкими границами могут быть легко обнаружены при
использовании дифференциальной самосравнительной катушки.
Другое отличительное расположение - "дифференциальная катушка внешнего
обращения". Как понятно из названия, внешний образец "обращения" используется
для оказания воздействия на одну катушку, в то время как другая катушка
подвергается воздействию только испытательным объектом. См Рисунок 2.6.
Эта система используется для обнаружения различия между ссылочным объектом
и испытательными объектами. Это особенно эффективно для измерения
сравнительной проводимости, проходимости и измерений габаритов. Очевидно,
как показано на рисунке 2.6, необходимо нормализовать или уравновесить систему
со стороны одной катушки, затронутой стандартным объектом и другой катушкой,
затронутой приемлемым испытательным объектом.
Отклик экрана на изменения в испытательном материале появится в качестве
"абсолютного" отклика (однолопастного), потому что фактически откликается на
изменения только одна катушка. Катушка опорного сигнала всегда регистрирует
статическое состояние. Она просто обеспечивает поляризирующее напряжение или
точку равновесия для испытательной катушки.
Система дифференциальной катушки внешнего обращения чувствительна ко всем
измеримым различиям между стандартным объектом и испытательным
объектом. Поэтому часто возникает необходимость обеспечить дополнительное
различие для разделения и определения переменных, присутствующих в
испытательном объекте.
Третья и заключительная конфигурация гибридной катушки в общем определена
как измерительная катушка. Некоторыми другими общими названиями,
связанными с этой техникой, являются Привод /Сбор данных, Прохождение,
Отражение, и Первичный / Вторичный.
Простая гибридная катушка состоит из катушки возбуждения и сенсорной обмотки.
Напряжение, развиваемое на сенсорной обмотке, является функцией величины тока
и частоты, применяемой к катушке возбуждения и сенсорной обмотки, а также к
характеристикам испытательного объекта.
Зачастую в самолетостроении наибольший интерес вызывает не наружная
обшивка, а второй, или, возможно, третий слой конструкции под обшивкой. Иногда
коррозия может быть обнаружено между этими слоями. Местное напряжение в
этих подповерхностных зонах может привести к образованию трещин, которое не
распространяются на поверхность, подвергаемую контролируемой поверхности.
Привод / сбор данных или контроль типа отражения довольно часто используется
для вихретокового контроля этих подповерхностных слоев. "Приводные" датчики
приобретают тенденцию к более широкому применению, чем типовые датчики
сканирования поверхности. Они часто "ограждаются" для того, чтобы
сосредоточить их энергию в определенной контрольной области и чтобы сгладить
отклики от краев пластин или других конструкций. Их более низкий операционный
частотный диапазон позволяет достичь намного более глубокого проникновения.
Как только потоки вихря произведутся в этих областях, то наступит роль меньшей,
пассивной, приемной катушки(ек) для контроля последовательности вызванного
потока. Эта специализированная технология контроля предусматривает
квалифицированного специалиста-техника по вихретоковому контролю с более
широким диапазоном потенциала обнаружения в сложных конструкциях
летательного аппарата.
Глава 3
Конструкция контрольной катушки
Как обсуждалось ранее, конструкция и выбор испытательной зависят от сплава
теории и опыта. Необходимо учесть множество факторов, основанных на
требованиях по контролю качества по разрешению, чувствительности,
сопротивления, габаритов, стабильности, а также из-за экологических
соображений.
Для лучшего понимания свойств катушки и электрической зависимости требуется
немного освежить знания теории переменного тока.
Во-первых, мы должны исследовать электрические объекты, например, ток; его
представительный символ I. Ток не только определяет поток электронов, но также
и их количество. Количество электронов, текущих мимо точки в кругообороте за
одну секунду, выражается в амперах. 2% x 1018 электронов, проходящих точку за
одну секунду, эквивалентны одному амперу.
Сопротивление - противодействие потоку электронов, которое измеряется в Омах
(Q). Закон Ома определяется уравнением:
, Где: I = Ток (в Амперах) R = Сопротивление (в Омах) E = Разность
электрических потенциалов (в Вольтах)
В теории цепи переменного тока мы обычно позволяем Z представлять R в
уравнении выше, чтобы показать полное противодействие цепи.
Сопротивление катушки прежде всего определяется длиной провода,
используемого для проверки катушки. Удельное сопротивление определяется
типом провода (медь, серебро, и т.д.) и зоной поперечного сечения провода.
Например, у 40 медных стандартных проводов длиной 10 футов с удельным
сопротивлением 10.4 круговых мил при 20°C было бы следующее сопротивление:
Удельное Сопротивление = 10.4 Ом/ круговых милов
Длина = 10 футов
Площадь = 9.888 Круговых милов
В цепи переменного тока, содержащей только сопротивление, ток и напряжение
находятся в фазе. В фазе - означает, что ток и напряжение достигают их
минимальных и максимальных значений в одно и то же время. Энергия, рассеянная
в цепи с активным сопротивлением, появляется в форме теплоты.
Например, электрический тостер оборудован проводом сопротивления, который
становится горячим когда электрические токи проходят через него, обеспечивая
источник тепла для поджаривания хлеба. Выделение тепла нежелательно для
вихретоковой катушки. Если бы провод 10 футов длиной, используемый в
предыдущем примере, был намотан по форме катушки, то это дало бы возможность
продемонстрировать
другие
характеристики
переменного
тока
кроме
сопротивления. При наматывании провода по форме катушки, катушки
приобретает свойство индуктивности. Роль индуктивности аналогична инерции в
механике, так как инерция – это такое свойство, которое заставляет тело
противодействовать любым изменениям в его скорости.
Единица измерения индуктивности - Генри (Гн). У катушки, как говорят, есть
свойство индуктивности, это когда изменение тока через катушку производит
напряжение в катушке. Более точно, у цепи, в которой вызвана электродвижущая
сила одного вт, когда ток изменяется по норме одного ампера в секунду, будет
индуктивность в один Генри.
Рисунок 3.1.
Катушки многослойной обмотки
Индуктивность многослойной катушки без сердечника может быть выражена ее
физическими свойствами или параметрами катушки. Параметры катушки, такие
как длина, диаметр, толщина, и число поворотов провода влияют на
индуктивность катушки.
На Рисунке 3.1 показаны типичные габариты катушки, которые требуются для
расчета индуктивности катушек. Заметьте, что катушка - катушка "без сердечника".
Она также не ограждена. Это означает, что распределение магнитного потока
вокруг и через саму катушку будет простираться по ее "нормальному" размеру,
основанному только на геометрии катушек. Если бы мы должны были добавить эти
другие материалы в уравнение, то мы бы обнаружили, что они искусственно
увеличивают или сжимают первичное поле и поэтому изменяют эксплуатационные
режимы катушек.
Приблизительно индуктивность маленькой, многослойной катушки без сердечника
рассчитывается следующим образом:
L = Самоиндуктивность (в микрогенри)
N = Общее количество поворотов
r = Средний радиус (в дюймах)
l = Длина катушки (в дюймах)
b = Глубина катушки или толщина (в дюймах)
Например, катушка со следующими габаритами:
r = 0.2 дюйма
l = 0.1 дюйма
b = 0.1 дюйма
N = 100 поворотов
имела бы индуктивность:
L = 103 микрогенри
Как сообщалось ранее, эта индуктивность аналогична инерции в механических
системах, в которых индуктивность противодействует изменению в токе,
поскольку инерция противодействует изменению в скорости тела. В цепях
переменного тока ток всегда изменяется; поэтому, индуктивность всегда
противодействует этому изменению. Поскольку ток пытается измениться,
индуктивность реагирует противодействием, этому изменению. Эту реакцию
называют индуктивным реактивным сопротивлением.
Единица измерения индуктивного реактивного сопротивления (XL) находится ом. Так как количество реактивного сопротивления - функция нормы изменения
тока, и норма изменения может быть описана как частота, формула, связывающая
частоту, индуктивность и индуктивное реактивное сопротивление выглядит
следующим образом:
XL = 2 πf L
Где:
XL = Индуктивное реактивное сопротивление (в омах)
f = Частота (Герц)
L = Индуктивность (Генри)
Например, используя рассчитанную ранее катушку в 103 микрогенри, работающую
на 100 килогерц, ее индуктивное реактивное сопротивление было бы следующим:
XL = Индуктивное реактивное сопротивление
L = 103µГ или .000103 Г
f = 100 кГц или 100.000 гц
2π = 6,28
XL = 2πf L
XL = 6.28 x 100 000 x. 000103
XL = 64.68 ом
Поэтому данная эта катушка проявила бы противодействовала в 64.68 Ома с
нормой изменения 100 килогерц из-за одного только ее реактивного компонента.
Но это сопротивление из-за индуктивного реактивного сопротивления (XL) не
является единственным фактором, который мы должны рассмотреть.
В отличие от, цепи имеющей сопротивление, ток и напряжение индуктивной цепи
не достигают их минимальных и максимальных значений в одно и то же время. В
чистой индуктивной цепи напряжение ведет напряжение ток до 90 электрических
градусов (см Гл.1, Рисунок 1.5 и 1.6). Это означает, что когда напряжение
достигает максимального значения, то ток находится на "O".
Противодействие электротоку из-за элемента, имеющего сопротивление
катушки, и реактивного элемента катушки не происходит в одно и то же
время; поэтому, они не могут быть добавлены как скалярные величины.
Скалярная величина - величина, имеющая только численное значение; то есть, это количество, полностью описанное числом, но не включающее понятия
направления. Например; галлоны в резервуаре, температура градусов в помещении,
и мили в час - все скалярные величины.
Чтобы объяснить дополнение реактивного сопротивления и сопротивления с
минимумом математических расчетов, мы можем снова использовать векторную
диаграмму или фазорную диаграмму для объяснения этого дополнения. Фазорную
диаграмму, построенную с вымышленными единицами на ординате (Ось Y) и
реальными единицами на абсциссе (Ось X), можно увидеть на рисунке 3.2 (a).
Замена индуктивного реактивного сопротивления (XL) и сопротивления (R) может
позволить нам получить векторную сумму векторного дополнения XL и R. Этот
результирующий вектор Z известен как полное электрическое сопротивление.
Полное электрическое сопротивление - полное противодействие электротоку.
Дальнейшее наблюдение за рисунком 3.2 (b) показывает, что XL, R и Z, будто бы
образуют стороны прямоугольного треугольника.
Правило математического решения прямоугольных треугольников говорит о том,
что квадрат гипотенузы равен сумме квадратов других двух сторон, или:
C2 = a2 + b2
Заменяя Z, XL и R, получаем, что:
Z2 = XL2 + R2
далее упрощаем:
Например, каково полное электрическое сопротивление катушки, имеющей
индуктивность 100 микрогенри, сопротивление 5 ом, и работающей при 200
килогерц?
Во-первых, мы должны преобразовать индуктивность в индуктивное
реактивное сопротивление.
XL = 2πfL
XL = 6,28 x 200 000 Гц x 0,0001 H
XL = 6.28 x 20 = 125.6 Ом
Тогда, вспоминая нашу Теорему Пифагора, сложим индуктивное реактивное
сопротивление и сопротивление и получим полное электрическое
сопротивление.
Важность знания полного электрического сопротивления испытательной катушки
является, наряду со знанием конструкции катушки, еще одним инструментом
рассмотрения.
Максимальная передача энергии достигается при совпадении внесённого
полного сопротивления электромеханического преобразователя и полного
электрического сопротивления нагрузки. Если бы, например, внесённое полное
сопротивление электромеханического преобразователя Вашего инструмента
вехретоков составляло 50 Ом, то у самых эффективных испытательных катушек
также были бы полное электрическое сопротивление в 50 Ом.
Испытательные катушки намотаны на форму, позволяющую сердечнику или
стержню с порошковым железом размещаться в центре катушки. Вполне
допускается увеличивать полное электрическое сопротивление катушки в 10
раз дополнением материалов сердечника.
Некоторые материалы сердечника являются цилиндрической или чашеобразной
формы. Общепринятое условие - "чашеобразный сердечник". Катушка сперва
наматывается, а затем помещается в чашеобразный сердечник. В случае
применения чашеобразной испытательной катушки не только увеличивается
полное электрическое сопротивление, но и получается дополнительная
выгода в экранировании. Экранирование с чашеобразным сердечником
препятствует распространению электромагнитного поля на сторонах катушки. Это
значительно сокращает сигналы, произведенные краевым эффектом или от
смежных с испытательной зоной частей, таких как застежки на крыле самолета.
Экранирование, при улучшении разрешения, обычно жертвует некоторой
величиной проникновения в часть.
При другом методе экранирования используется материал высокой
проводимости, медь или алюминий, в целях подавления высокочастотных помех
из других источников, а также для формирования электромагнитного поля
испытательной катушки. Медная чаша ограничивает электромагнитное поле в
очень схожей манере с обсужденным ранее "включенным ядром железной
катушки. Недостаток высокой проводимости и низкого или отсутствующего
экранирования заключается в том, что полное электрическое сопротивление
катушки уменьшается, когда экранирующий материал располагается вокруг
испытательной катушки. Суммарное воздействие заключается в том, что,
безусловно, Q катушки - меньше, чем когда вокруг катушки находился воздух.
Глава 4.
Отклик в системе вихретоков.
4. ОТКЛИК В СИСТЕМЕ ВИХРЕТОКОВ
Вихретоковая техника, как мы могли видеть, зависит от генерирования индуцированных
токов в объекте испытаний. Отклонения и искажения в этих небольших индуцированных
токах влияет на испытательную катушку. В результате, в зависимости от параметров
объекта испытаний возникают изменения в полном сопротивлении испытательной
катушки. Они называются рабочие параметры.
Ниже представлены рабочие параметры, с которыми мы столкнемся в данной главе:
полное сопротивление катушки, электропроводность, магнитная проницаемость, скинэффект, изменяющийся зазор, фактор заполнения, концевой эффект, краевой эффект и
коэффициент сигнал-шум.
Полное сопротивление катушки подробно обсуждалось в предыдущем разделе. В Главе
3 мы пытались разобраться с полным сопротивлением на основе данных вихретоковой
системы и эффективностью катушки при заданной испытательной частоте. Изменения
полного сопротивления катушки в соответствии с рабочими параметрами не будут такими
существенными. Нам необходимо будет сильно увеличить коэффициенты
масштабирования, чтобы показать реальные изменения полного сопротивления. Мы
можем рассматривать изменения полного сопротивления графически или векторно для
более эффективного объяснения взаимодействия других рабочих параметров.
Электропроводность: Согласно электронной теории атом состоит из положительно
заряженного ядра атома, окруженного по орбите отрицательно заряженными электронами.
Материалы, которые позволяют этим электронам легко перемещаться с орбиты вокруг
атома, относятся к проводникам. Электроны в проводниках перемещаются под
воздействием вешней электрической силы. Эта легкость, с которой эти электроны
двигаются по проводнику может быть измерена с точки зрения или сопротивление, или
электропроводность.
Сопротивление представляет собой абсолютное измерение в единицах микро-ом-см. Для
точности измерений они должны проводиться в строгих лабораторный условиях. В
полевых условиях практически не применяется. С другой стороны, измерения
электропроводности могут быть легко проведены при помощи простых вихретоковых
КИП.
Измерения электропроводности могут быть указаны в абсолютном терме, однако,
принятой нормой в США и большинстве других рынков является использование
произвольно заданного значения. Данный процесс относится к 1913 году, когда группа
ученых объединились и назвали себя Международная электрохимическая комиссия. Они
установили, что указанная марка меди высокой частоты будет калибром. Выбранный
медный стержень имел длину 1 м и постоянное поперечное сечение 1мм2. Сопротивление
постоянному току составляет 0.017241 Ом при 20 °С. Это произвольно считается 100%
электропроводностью. Обозначением для электропроводности является σ (сигма) и
величиной единицы измерения - % IACS, или процент Международного стандарта на
отожженную медь.
В таблице 4.1. на следующей странице перечислены материалы по их значениям
электропроводности и сопротивления. Может быть сделано предположение касательно
способности материала поддерживать поток электронов. Например, хороший проводник
должен иметь плохое сопротивление. Должен применяться коэффициент коныерсии,
поскольку сопротивление и электропроводность имеют разную природу и единицы
измерения. Как обсуждалось ранее, сопротивление выражается в абсолютных термах
микро-ом-сантиметр. Для перевода в другие единицы, достаточно просто следовать
следующему уравнению:
Для расчета сопротивления данного исходного медного стержня:
Поскольку на испытательную катушку влияют различная электропроводность, ее полное
сопротивление изменяется обратно-пропорционально электропроводности. Более высокая
электропроводность обуславливает более низкую величину полного сопротивления
испытательной катушки.
Таблица 4.1. Электросопротивление и электропроводность
металлов и сплавов
Среди факторов, которые могут повлиять на электропроводность, можно назвать:
температуру, термическую обработку, размер зерна, твердость и остаточное напряжение.
Изменения температуры объекта испытаний изменит электропроводность данного объекта.
В металлах при увеличении температуры электропроводность уменьшается.
Магнитная проницаемость: Магнитная проницаемость любого материала представляет
собой показатель, насколько легко его атомы могут выравниваться, или насколько легко он
может установить силовые линии. Классификация материалов основана на сравнении.
Воздуху присвоена относительная магнитная проницаемость 1. Основным определением
магнитной проницаемости, µ, (произносится «мю») является:
µ
=
Количество линий, произведенных материалом в качестве сердечника
Количество линий, произведенных воздухом, в качестве сердечника
Ферромагнитные материалы и сплавы, в состав которых входят никель, железо и/или
кобальт стремятся к концентрированию линий магнитного потока. Ферромагнитный
материал или спеченные ионные соединения используются в концентрировании
магнитного потока.
Магнитная проницаемость материала не является постоянной. Магнитная
проницаемость зависит от воздействующего на нее магнитного поля. В качестве примера
рассмотрим магнитный стальной стержень, помещенный в охватывающую катушку. При
увеличении тока катушки сила поля катушки увеличивается. Сначала магнитный поток в
стали быстро увеличится, а затем стремиться к равновесию, поскольку сталь приближается
к магнитному насыщению. Данный феномен носит название Эффекта Баркгаузена.
Когда, в результате увеличения силы намагничивания, в потоке в стальном стержне
изменений являются незначительными или изменения не возникают, стержень магнитно
насыщен. Когда ферромагнитные материалы насыщаются, магнитная проницаемости
становится постоянной. При постоянной магнитной проницаемости, ферромагнитные
материалы могут инспектироваться с помощью метода вихревых токов. Без магнитном
насыщении ферромагнитные материалы демонстрируют настолько широкий диапазон
вариантов магнитной проницаемости, что сигналы от несплошностей или изменений
электропроводности перекрыты сигналом магнитной проницаемости.
Скин-эффект: В результате скин-эффекта электромагнитные испытания во многих
случаях более чувствительны к параметрам объекта испытаний, расположенного близко к
испытательной катушке. Скин-эффект представляет собой взаимодействие между
вихревыми токами, рабочей частотой, магнитной проницаемости и электропроводности
объекта испытаний. Скин-эффект, концентрация вихревых токов в объекте испытания
рядом с испытательной катушкой, становится более очевидным, поскольку испытательная
частота, электропроводность и магнитная проницаемость объекта испытания
увеличиваются. Плотность тока или распределение вихревого тока в объекте испытания
смотри на Рис. 1.6 в Разделе 1.
Краевой эффект: Электромагнитное поле, создаваемое возбуждающей испытательной
катушкой, распространяется во всех направлениях от катушки. Когда катушка
приближается к геометрическим границам опытного образца, она обнаруживает границы
до того, как их достигнет.
Магнитное поле катушки опережает саму катушкой на некотором расстоянии,
определенном параметрами катушки, рабочей частотой и характеристиками объекта
испытаний. Когда катушка приближается к краю объекта испытаний, вихревые токи
искажаются сигналом от края. Данное явление известно как «краевой эффект». Отклики от
края объекта испытания могут быть уменьшены путем использования магнитных экранов
вокруг испытательной катушки или путем уменьшения диаметра испытательной катушки.
Термин «краевой эффект» применяется в инспекции листов или пластин с применением
зондовой катушки.
Концевой эффект: Концевой эффект создается по такой е логике, как краевой эффект.
Концевой эффект представляет собой сигнал, наблюдаемый, когда конец изделия
приближается к испытательной катушке. Отклик от концевого эффекта может быть
ослаблен путем использования экранирования катушки или уменьшения длины катушки в
Внешних охватывающих или внутренних проходных катушках. Термин «концевой
эффект» чаще всего применяется при инспекции стержней или трубных изделий.
Изменяющийся зазор: Электромагнитное взаимодействие между испытательной
катушкой и объектом испытания является наиболее важным моментом при проведении
вихретокового обследования. Взаимодействие между испытательной катушкой и объектом
испытаний различается в зависимости от пространства между испытательной катушкой и
объектом испытаний. Данное пространство называется изменяющимся зазором.
Воздействие на полное сопротивление катушки называется Эффект изменяющегося
зазора.
Рис. 4.4 показывает фазовое соотношение между откликами воздуха, проводящего
материала и изменяющегося зазора на нормированной кривой полного сопротивления. Как
говорилось ранее, наиболее сильное магнитное поле образуется рядом с катушкой и
рассеивается на расстояние от катушки. Данный факт приводит к явно выраженному
эффекту изменяющегося зазора для небольших изменений в пространстве между катушкой
и объектом. В качестве примера приведем следующее: изменение расстояния от контакта
до 0.001” создаст эффект изменяющегося зазора в несколько раз больше, чем изменение
расстояния с 0.010” до 0.011”. Как правило, эффект изменяющегося зазора нежелателен,
поскольку он вызывает увеличение шума и уменьшение взаимодействия, что в свою
очередь приводит к низкой способности измерения.
В некоторых отдельных случаях оборудование, которое имеет способность к фазовой
дискриминации, может без особых затруднений отделить изменяющийся зазор от
электропроводности или других параметров. Эффект изменяющегося зазора может
использоваться как преимущество при измерении непроводящих покрытий на
электропроводящей основе. Непроводящее покрытие, такое как краска или пластик,
образует расстояние между катушкой и электропроводящей основой, что позволяет
изменяющемуся зазору отразить толщину покрытия. Изменяющийся зазор также
используется в случае применения профилометрии и приближении. Термин
«изменяющийся зазор» наиболее применим при испытании объекта с использованием
поверхностной или зондовой катушки.
Коэффициент заполнения: Характеристика коэффициента заполнения представляет
собой способ описания того, насколько эффективным является электромагнитное
взаимодействие объекта испытания с испытательной катушкой, которая охватывает
объект испытания или помещается внутрь объекта. Коэффициент заполнения относится к
инспекциям с использованием проходных или охватывающих катушек. Как и в случае с
изменяющимся зазором, электромагнитное взаимодействие между испытательной
катушкой и объектом испытания наиболее эффективное, когда катушка расположена очень
близко к поверхности части объекта.
Коэффициент заполнения (η- эта) может быть описан как отношение диаметра объекта
испытаний к диаметру катушки, в квадрате. Диаметры в квадрате – упрощенное уравнение,
дающее в результате деление площадей эффективной катушки и части объекта. Площадь
круга может быть представлена следующим образом:
Для определения коэффициента площадей, которые нас интересуют, нам необходимо
произвести расчеты с помощью:
Где
“d” – диаметр (внутренний или внешний) «меньшего значения»
“D” – диаметр (внутренний или внешний) «большего значения»
Поскольку
есть и в числителе, и в знаменателе уравнения с дробными
коэффициентами, отношение может быть упрощено путем удаления
чего получится отношение диаметров в квадрате.
, в результате
Коэффициент заполнения всегда будет представлять собой число менее 1. Наиболее
эффективные коэффициенты заполнения близки к 1. Коэффициент заполнения 0.99 будет
более предпочтительным, чем коэффициент заполнения 0.75. Влияние коэффициента
заполнения на систему испытаний заключается в том, что недостаточный коэффициент
заполнения не позволит катушке получить достаточную нагрузку от объекта испытания.
Это аналогично эффекту слабого натягивания лука и отпускания стрелы. При слабом
натягивании и отпускании лука, результатом будет создание небольшого эффекта для
толкания стрелы. Для расчета количества нагрузки катушки, мы применяем следующую
формулу:
где:
Е0 – напряжение катушки, когда катушка в воздухе
Е – напряжение катушки, когда на катушку воздейсвует объект испытания
- коэффициент заполнения
- эффективная магнитная проницаемость
Система испытаний с постоянными допустимыми нагрузками по току под воздействием
проводящего немагнитного стержня, помещенного в охватывающую катушку, может быть
использована для демонстрирования данного эффекта. Например, системные параметры
следующие:
(а) Напряжение нагруженной катушки равно 10 вольтам
(b) Эффективная магнитная проницаемость объекта испытаний(
) равна 0.3
(с) Внутренний диаметр испытательной катушки равен 1 дюйму
(d) Внешний диаметр объекта испытания равен 0.9 дюймам.
Когда немагнитный объект испытаний помещается в испытательную катушку, напряжение
катушки снижается.
В результате мы получаем 10- 4.3 или 5.7 вольт, имеющихся для отклика от изменений в
объекте испытаний, причиной которых являются несплошности или уменьшение
эффективной электропроводности объекта испытаний. Предполагается, что считывающее
устройство рассчитывает напряжение с нагрузкой, получившееся в результате
использования 0.5 дюймового стержня из того же материала и рассматривает различия в
относительной чувствительности.
Несплошности: Любая несплошность, которая значительно меняет нормальный поток
вихревого тока, может быть обнаружен. Такие несплошности как трещины, язвы, канавки,
повреждения в результате вибрации и коррозия, как правило, вызывают уменьшение
эффективной электропроводности объекта испытаний.
Несплошности на поверхности легче для обнаружения, чем несплошности, находящиеся в
подповерхностной зоне. Несплошности, раположенный на поверхности, могут быть легко
выявлены с помощью широкого диапазона частот. Обследования подповерхностных зон
требует более тщательного выбора частоты. Обнаружение несплошности на глубине более
½ дюйма в нержавеющей стали представляется крайне сложным. Это происходит отчасти
по причине слабого распределения линий магнитного потока при низкой частоте,
необходимой для такого глубокого проникания.
Когда мы смотрим на диапазон частот и видим, как графики одних и тех же дефектов
отличаются друг от друга в зависимости от частоты (Рис. 4.5), мы действительно начинаем
видеть калибровку по фазовому углу и глубине и процесс анализа.
Объединяя некоторые факторы, которые мы обсуждали в данной главе, и отображая их все
на одной кривой полного сопротивления, мы сможем увидеть общее взаимодействие,
показанное на Рисунке 4.6.
Отношение сигнал-шум: отношение сигнал-шум представляет собой отношение сигналов,
представляющих интерес, и помех. Как правило, источниками тока являются изменения
шероховатости поверхности, геометрии и однородности объекта испытаний. Другие
электрические шумы могут возникать от внешних источников, таких как сварочные
аппараты, электродвигатели и генераторы. Механические вибрации могут вызвать
увеличение шума испытательной системы путем физического движения испытательной
катушки или объекта испытаний. Иными словами, все, что служит препятствием для
испытательной системы в определении размера, рассматривается как шум. Неверным
подходом в решении данной проблемы является увеличение настроек усиления в системе.
Данный процесс увеличивает отображение всех компонентов на экране (X&Y) и,
следовательно, не меняют отображение отношения сигнал-шум на экране.
Отношение сигнал-шум может быть улучшено с помощью некоторых методов:
- Если часть, которая подвергается испытаниям, грязная и покрыта окалиной, отношение
сигнал-шум может быть улучшено обычной прочисткой данной части.
- Электрические помехи могут быть экранированы или изолированы. Как правило, при
работе в производственной среде с большим количеством электрических шумов,
используются сетевые фильтры-кондиционеры.
- Фазовая дискриминация (вращение отображения сигнала на экране) и фильтрация
(смешение) могут улучшить отношение сигнал-шум.
В обычной практике большинства неразрушающих испытаний минимальное требуемое
отношение сигнал-шум составляет 3 к 1. Это означает, что в данной точке сигнал,
представляющий интерес, должен иметь отклик минимум в 3 раза больше, чем отклик
шума. Когда в дальнейшем вы займетесь анализом данных по вихретоку, вы, возможно,
обнаружите, что механизмы повреждения, которые соответствуют данному критерию, как
правило, достаточно легко определяются и измеряются более точно. Именно эти формы
повреждения трубной стенки дают нам плохое отношение сигнал-шум, что по умолчанию
представляют наибольшую трудность для обнаружения и определения реальной глубины
дефекта.
5. ИСПЫТАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
Большинство вихретоковых КИП классифицируются в соответствии с окончательным
результатом и способом отображения. Существуют базовые требования, применяемые ко
всем типам вихретоковых КИП.
Как правило, нтребуется пять различных элементов для создания приемлемых
вихретоковых КИП. К этим функциям относятся возбуждение, модуляция, подготовка
сигнала, анализ сигнала и отображение сигнала. Дополнительным шестым компонентом
может быть манипуляционное оборудование объекта испытаний.
Рисунок 5.1. иллюстрирует взаимодействие компонентов.
Генератор (генератор колебаний) подает синусоидальные сигналы возбуждения на
испытательную катушку. Некоторые системы имеют только одну постоянную частоту,
также может быть несколько доступных каналов с широким диапазоном частот, которые
могут использоваться в каждом канале. Выбор основывается на предполагаемой функции
КИП. Чем более сложными становятся проблемы испытательного образца, тем более
современные КИП требуются для приемлемой инспекции данного образца.
Модуляция сигнала происходит в электромагнитном поле корпуса испытательной
катушки. Это первичное магнитное поле, создаваемое вокруг корпуса катушки, которое
обеспечивает передачу энергии в испытательный образец.
Далее следует секция подготовки сигнала, как правило, балансная схема, которая готовит
сигнал для демодуляции и анализа. На стадии подготовки сигнала балансные схемы
используются для «обнуления» сигналов переменного тока неизменной амплитуды.
Усилители и фильтры также являются частью данной секции по улучшению отношения
сигнал-шум и увеличению уровней сигнала для последующего этапа демодуляции и
анализа.
Секция демодуляции и анализа состоит из устройств обнаружения, анализаторов,
дискриминаторных элементов, фильтров и схем сэмплирования. Устройства обнаружения
могут быть простого амплитудного типа или более современного фазового/амплитудного
или когерентного типа.
Секция отображения сигнала является ключевой связью между испытательным
оборудованием и его предполагаемым назначением. Сигналы могут отображаться
различными способами. Обычные отображения включают в себя:
Катодно-лучевые трубки (CRT), которые могут быть либо цифровыми, либо
аналоговыми. Аналоговые CRT используют инжектор электронов, которые активирует
люминесцентный материал внутри вакуумной трубки. Цифровые варианты основываются
на пикселях «вкл.» или «выкл.» на экране.
Измерительные приборы – могут быть или аналоговыми (отклонение стрелки) или
цифровыми (только цифровые индикаторы). Измерительные приборы могут быть
рассмотрены как откалиброванные или неоткалиброванные. Это связано только с их
стилем считывания. Откалиброванный измерительный прибор имеет собственный
масштабный коэффициент (%IACS), в то время как неоткалиброванный измерительный
прибор может только дать качественный отклик (хорошо/плохо), не определяя при этом
количественные результаты и не измеряя проценты (насколько плохо).
Записывающие устройства – ленточные диаграммы/ ленты/ оптические диски/ и т.д.
Сигнализация – визуальная и аудио
Компьютерные терминалы – сбор данных для последующей обработки и
статистического анализа.
Автоматическое сигнальное или отбраковывающее оборудование – приводит к
использованию шестого компонента системы. Это может включать в себя способ
маркирования частей или их «отбраковки». Данные части могут быть удалены из
последующих этапов инспекции и обработки производственной установки.
Данные вихретоковых испытаний могут быть отображены или обозначены различным
способами. Тип отображения или считывания зависит от требований испытаний. Для
отчетов по испытаниям может потребоваться архивное хранение на больших штатных
компонентах, таким образом, степень изменения коррозии и несплошности может
отслеживаться и отображаться. В некоторых производственных испытаниях требуется
индикатор, действующий по принципу «годен / не годен».
На Рисунке 5.2, (a), (b), (c), и (d) представлена серия простых вихретоковых КИП.
Рисунок 5.2
Четыре типа простых вихретоковых КИП.
т
На рисунке 5.2(а) за напряжение в инспекционной катушке осуществляется контроль
посредством вольтметра переменного тока. Подобный тип КИП может использоваться для
измерения большого количества вариантов изменяющегося зазора, когда точность не
настолько критична.
На рисунке 5.2 (b) показана мостиковая схема полного сопротивления. Данный
контрольно-измерительный прибор состоит из возбуждающего источника переменного
тока, гасящих резисторов и выравнивающего полного сопротивления.
На рисунке 5.2 (с) мы видим переменны резистор и вариометр (катушка). Это сделает
схему более гибкой и позволит «настраиваться» на значение полного сопротивления
испытательной катушки в различных ситуациях при испытаниях.
На рисунке 5.2 (d) представлена балансная катушка, на которую воздействует эталонный
образец. Это, как правило, используется при испытаниях с внешней эталонной
дифференциальной катушкой. Во всех случаях, поскольку контролируются только
изменения напряжения или магнитуды, данные системы будут сгруппированы как типы
магнитуды полного сопротивления.
Обзор системы ЕСТ –
Напряжение переменного тока подается через две испытательные катушки. Переменное
магнитное поле, создаваемое по воздействием движения тока в испытательных катушках,
вызывает вихревые токи к потоку в стенке трубки. Соответствующее магнитное поле,
создаваемое потоком вихревых токов в стенке трубки, не совпадает по фазе полем,
создаваемым током в испытательных катушках.
(вторичное магнитное поле)
препятствует
(первичное магнитное поле) и пытается погасить его воздействие. Это
вызывает снижение напряжения в катушке, поскольку эта фаза сдвинута пропорционально
магнитуде вихревых токов на участке испытания. Таким образом, напряжение катушки
зависит от электрических свойств трубки, которая подвергается испытаниям.
Электрическими свойствами, которые воздействуют на поток вихревых токов, являются
магнитная проницаемость и электропроводность. В немагнитных материалах, таких как
Инконель и 300-серийная нержавеющая сталь, значение имеет, как правило, только
электропроводность.
Если в материале встречается нарушение сплошности, оно определяется как снижение
«относительной» электропроводности материала в данной точке. Поскольку
электропроводность материала меньше, возникает соответствующее уменьшение потока
вихревых токов. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению силы
. По причине
снижения полного встречного взаимодействия (Z) или сопротивления цепи, возникает
повышенное напряжение, проходящее через катушку. Увеличение напряжения катушки и
сдвиги фазы находятся в прямой зависимости от глубины и объема изменения
электропроводности материала.
Данные изменения напряжения катушки и фаз показаны как сдвиги от точки баланса или
нулевой точки на дисплее X-Y (плоскость полных сопротивления). Этот сдвиг может быть
измерен, как имеющий и магнитуду и фазу.
Конструкция катушки, как и режим функционирования, (См. главу 2) повлияет на то,
каким образом изменения напряжения/полного сопротивления катушки будут
представлены на устройстве вывода данных. Классические «дифференциальные» или
абсолютные отклики на экране от различных частот может предоставить
профессиональному аналитику достаточно информации для того, чтобы начать
определение целостности данной части.
Многочастотная система вихретоковых испытаний, использующаяся для инспекции
теплообменников, может состоять из нескольких компонентов. К данным компонентом
могут относиться следующие устройства:
1. Вихретоковый дефектоскоп
2. Копьютер (ЦП), внутренний или внешний
3. Системы записи данных (оптический диск, жесткий диск и т.д.)
В то время, как некоторые системы могут выполнять данные функции, имея
конфигурацию с одним блоком, другие системы могут иметь несколько блоков. Каждая из
них может иметь свои преимущества, в зависимости от особых окружающих условий.
Многие инспекции трубок теплообменников требуют записи данных для сбора
долгосрочных статистических данных в технике по определению увеличения дефекта и
прогнозу замены теплообменника. В зависимости от типа и конструкции зонда, частоты
цифрового сэмплирования и скоростей протягивания зонда, некоторые из носителей
записи могут сохраняться буквально тысячи данных по трубкам.
Принтер не является обязательным элементом системы для сбора данных, однако он может
использоваться для распечатки карт, демонстрирующих примеры шума или спорных
данных.
Если дефектоскоп (или оператор) и сотрудники, работающие с теплообменником,
находятся на значительном расстоянии друг от друга, необходимо предусмотреть систему
связи для установки голосового контакта между операторами.
Существуют другие системы или компоненты периферийного оборудования, которые
могут быть подсоединены к тому же компьютеру, который используется для сбора данных
по вихретокам. Они могут состоять из блоков управления или иных электро-механических
устройств для креплений с «нулевым входом», толкателей зонда, переключателя зонда,
систем сбора данных при помощи вращающейся дисковой катушки с электроприводом,
или для других специальных инструментов.
Толкатель зонда может использоваться при проведении работ высокого технического
уровня. Скорость введения зонда с использованием современных приводов, может
доходить до 8 футов в секунду, а скорость извлечения, во время чего происходит сбор
данных, составляет, как правило, от одного до четырех дюймов в секунду, в зависимости
от частоты семплирования. Данная операция может осуществляться вручную, однако,
механические системы увеличат производственные способности и смогут контролировать
неизменность скорости зонда. Это является очень важным на этапе оценки данных, когда
возникает необходимость определить соответствующим образом расположение некоторых
событий, отклики которых отображаются на экране, по всей длине трубки.
Запись данных, как правило, производится «при извлечении» (в процессе извлечения зонда
из трубки). Сбор данных по калибровочной трубке, которые записываются на носитель,
должен производиться с такими скоростью и направлением, какие планируется
использовать при сборе данных по теплообменнику.
Когда зонд введен на необходимое расстояние, на клавиатуре компьютера вводится
идентификационный номер трубки, номер трубке записывается на ленточной диаграмме
(если используется), и далее датчик извлекается, во время чего работают системы записи
данных.
При некоторых условиях эксплуатации анализ данных может производиться «в реальном
времени». Инспекция воздушного кондиционирования (ОВКВ) является одной из
областей, где данный тип процесса имеет место. Возможно, что при данном типе условий
специалисты по вихретокам Уровня II могут отвечать за обработку данных. Им
потребуется дополнительное обучение сверх стандартных занятий Уровня II, с тем чтобы
они смогли выполнить данную функцию. В тех областях, где требуется запись данных,
анализ данных, как правило, будет осуществляться «квалифицированным» аналитиком.
Ссылаясь на некоторые нормы, вышесказанное означает, что специалисты, занимающиеся
обработкой данных, должны пройти специальное обучение и иметь квалификацию и/или
сертификат (Уровень II А?), чтобы иметь возможность осуществлять данную деятельность.
Испытательная единица, показанная на Рис. 5.4, предусматривает специальные
калибровочные кривые встроенного канала, которые могут помочь оператору в процессе
анализа данных. Если для операций дефектоскопа требуется интерфейс компьютера,
компьютер и периферийное оборудование, которые используются при сборе данных, могут
быть также использованы при анализе данных. Специальное программное обеспечение,
как правило, используется для предоставления дополнительных инструментов для анализа
данных. Это позволяет квалифицированному специалисту обнаружить, дать
характеристику и записать все сигналы, которые требуются согласно инспекционной
процедуре, существующей на площадке.
На рисунке выше вы видите три калибровочные кривые, построенные на графике фазового
угла/глубины. В некоторых случая для измерения лучше использовать напряжение.
Показанная вихретоковая дефектоскопия неферромагнитных тонкостенных трубок
иллюстрирует погрешность продолжительных измерений, соответствующая двум средним
квадратичным отклонениям плюс-минус 7% для 50% дефекта при фактических полевых
условиях. На Рисунке 5.7 показаны кривые погрешности измерения, полученные в
результате построения графика на основе данной информации против калибровочных
кривых на Рисунке 5.7.
Выбор частоты всегда связан с чувствительностью и расширением. Мы должны уметь
определить ее (хорошую чувствительность) до того, как перейдем к измерению или
отделению от иных сигнатур (хорошее расширение). Иногда выбор частоты основывается
и на чувствительности и на расширении.
6. Применение инспекции трубок.
Являясь инженерами и специалистами в Неразрушающих испытаниях, мы отвечаем за
обеспечение и проведение неразрушающего контроля, который некоторым образом
обеспечивает качество или применимость промышленных продуктов. Для того, чтобы
применить неразрушающее испытание, нам необходимо понимать параметры, которые
влияют на испытания. Как правило, в промышленности сначала определяется продукт или
компонент, а затем производится поиск методов для его инспекции.
Данная практика определяет геометрию, проводимость и магнитную проницаемость
объекта испытания до применения обследования вихревыми токами. Выбор
испытательной частоты, испытательная катушка и КИП становятся средствами,
используемыми для решения проблемы инспекции.
В главе 1 мы наблюдали уменьшение по экспоненте вихревых токов, когда они проникают
в объект исследования. Мы также наблюдаем разность фазы или времени в данных токах.
Токи рядом с испытательной катушкой идут первыми, или опережают ток, который
находится глубже в объекте. Высокая плотность тока способствует хорошей
обнаруживаемости, а большая разность фазы между ближайшей и дальней поверхностями
обеспечивает хорошее разрешение.
К сожалению, если будет выбрана низкая частота только для обеспечения хорошей
проницаемости и обнаруживаемости, разность фазовых углов между ближайшей и
дальней поверхностями может быть уменьшена.
Выбор частоты часто становится компромиссом. Общей практикой для эксплуатационной
инспекции тонкой стенки, неферромагнитных трубок является определение стандартной
глубины проницаемости сразу после средней точки стенки трубки. Это позволяет 25%
доступного вихревого тока двигаться на внешней поверхности стенки трубки. В
дополнение к этому, определяется разность фаз, составляющая приблизительно от 150 до
170 градусов между внешней и внутренней поверхностями стенки трубки. Соединение
25% , находящихся снаружи, или поверхностного тока по внешнему диаметру и 170
градусов, включая фазовый угол, обеспечивает хорошую обнаруживаемость и разрешение
для инспекции тонкостенных трубок.
Несмотря на то, что, первая формула глубины проницаемости, которая обсуждалась в
первой главе, является правильной, она использует метрические значения для переменных
материала. Такой перевод является утомительным для большинства инспекторов по
ультразвуковому контролю (US).
Например, значения проводимости при ультразвуковом контроле, как правило, измеряются
в %IACS, вместо mhos/m. Упрощенные производные формул, требуемые для определения
испытательных параметров ECT, следующие:
Исходная форма в метрической системе
Перевод в английский формат
где:
δ = глубина проницания (в дюймах)
К = постоянная = 1.98 (для дюймов)
ρ = удельное сопротивление (в
см)
f = частота в герцах
µ rel = 1 для немагнитных материалов
Для немагнитных материалов µ rel, как правило, не учитывается. Уравнение для
немагнитного материала упрощается до следующего:
В данной точке мы имеем способ сравнения частоты и глубины проницаемости. Несмотря
на то, что удельное сопротивление в метрических единицах, оно уже переведено в эту
производную. Для того чтобы определить, какие частоты являются подходящими для
успешного проведения испытания каждого материала, вам требуется значения удельного
сопротивления или IACS. Нашей основной переменной является частота. Корректируя
частоту, мы можем выборочно реагировать на изменения переменных объекта испытания.
Оптимальная частота для инспекции нежелезных трубок следующая:
где:
fo = оптимальная (или первичная) частота (в герцах)
ρ = удельное сопротивление трубки (в
см)
t = толщина стенки трубки (в дюймах)
Используя расчеты для обнаружения трещины по внешнему диаметру при помощи
проходной катушки по внутреннему диаметру, сигнал 50% плоскодонного отверстия с
внешней стенки трубки будет приблизительно под углом 90° к сигналу 100% сквозного
отверстия.
Например:
Инконель 600, 7/8” OD х .050” стенка ρ = 100)
Данный расчет позволяет использовать таблицу предварительного расчета для оценки
повреждения стенок труб.
Таблица интерпретации данных
Примечания: Данная таблица действует только для «первичного» частотного канала. Другие
частоты на других каналах будут иметь другие оценки утонений стенок для тех же фазовых углов.
Очевидно, что специалист должен иметь хорошие практические навыки в вопросе
плотности электрического тока и фазового соотношения с тем, чтобы правильно выбрать
частоту. Выбор частоты, обсуждаемый на сегодняшний день, касается систем катушек,
которые возбуждаются только с помощью одной частоты. Испытательные системы,
возбуждаемые более чем одной частотой, называются многочастотными /
многопараметрическими системами. То же самое для испытательной катушки,
возбуждаемой тремя или более частотами. Несмотря на то, что некоторые частоты могут
применяться к испытательной катушке одновременно или последовательно
(мультиплексир.), каждая отдельная частота соответствует правилам, определенным в
одночастотных методах. Сигналы, сгенерированные на различных частотах объединяются
или смешиваются в электронных цепях, которые алгебраически прибавляют или вычитают
сигналы для получения желаемого результата. Ключевым элементом успешного
проведения этой операции является правильный выбор входной информации.
Рисунок 6.1. Логика смешения частоты
Один процесс многопараметрического/многочастотного испытания заключается в том,
чтобы привести в действие катушку с помощью «широкополосного» импульса. При
данной технике обеспечивается широкий диапазон частот к катушке в одну и ту же точку в
единицу времени (одновременное возбуждение). Другим подходом
многопараметрического метода является использование процесса мультиплексирования.
При процессе мультиплексирования одна частота подается на катушку единовременно на
короткий период времени. Это снижает необходимость в расширенной предварительной
обработке сигналов для получения интересующих сигналов. Основными преимуществами
мультиплексной системы являются: низкая стоимость, гибкость в выборе частоты,
отсутствие взаимного влияния частотных каналов.
Если мультиплексная скорость переключения достаточно высока, и широкополосная
система и мультиплексная система имеют, как правило, одинаковые результаты.
Характеристика вихретоковых сигналов по фазовому углу и амплитуде является общей
практикой и обеспечивает основу для микширования сигналов, с тем, чтобы подавить
паразитные сигналы из испытательных данных. Две частоты необходимы для того, чтобы
удалить каждую паразитную переменную.
Практический выбор многопараметрической частоты может быть показан на следующем
примере:
Проблема: Вихретоковая инспекция установленных тонкостенных неферромагнитных
трубок теплообменника. Трубки поддерживаются в нескольких местах ферромагнитными
опорами. Необходимо удалить отклик от опоры трубки из данных по стенке трубки.
Решение: Применение многопараметрической техники для подавления отклика опоры
трубки.
Во-первых, выбирается частота с тем, чтобы предоставить информацию об оптимальной
фазе и амплитуде для стенки трубки. Данная частота называется первичной. При
первичной частоте, отклик опоры трубки и калибровочного сквозного отверстия равны по
амплитудной характеристике.
Вторичная частота, называемая частотой вычитателя, выбирается на основе отклика опор
трубки. Поскольку опора трубки окружает внешний диаметр трубки, выбирается более
низкая частота (fo ÷4). При частоте вычитателя отклик опоры трубки приблизительно в 10
раз больше, чем калибровочного сквозного отверстия.
Если изменения амплитуды смесительной установки заданы, то амплитуды и основного
сигнала, и сигнала вычитателя опоры трубки одинаковые, и разбиты на фазы таким
образом, чтобы привести к вычитанию сигнала, далее сигналы опор трубки от каждого
компонента основной частоты, при этом останется только малая часть основной
информации. Для подавления внутренних сигналов и приповерхностных сигналов,
выбирается высшая частота вычитателя.
Сочетание первичной, низкой и высокой частот вычитателя часто используется для
подавления приповерхностных сигналов и сигналов, находящихся далеко от поверхности,
оставляя только данные, касающиеся толщины участка и его состояния.
Таким образом, оптимизация частоты зависит от ожидаемого измерения или
интересующего параметра.
Процесс выбора частоты
Планирование инспекции теплообменника осуществляется с учетом некоторых факторов.
Необходимо учесть следующее: тип и конструкцию теплообменника, материал трубок,
толщина стенок трубок, типовой механизм отказа на основе его эксплуатационных
характеристик, перечень изменений данной установки или похожих. Все эти факторы
будут оказывать влияние на выбор частот, используемые конструкции датчика, режимы
эксплуатации (абсолютные или дифференциальный), а также применяемые схемы
обнаружения и анализа сигнала. Несмотря на планирование, возможно возникновение
непредвиденных моментов. Невозможно создать одну универсальную процедуру, которая
подходила бы для всех случаев.
Первичная частота учитывает стандартную глубину проникновения и требуемый отклик
фазового угла вихревого тока. Как только мы определили fo, происходит выбор
оставшихся частот, учитывая тип повреждения, который мы можем обнаружить в данном
теплообменнике, и используемые процессы анализа данных.
Одним из крайне важных факторов в испытании трубных пучков является возможность
значительно уменьшить или «смешать» паразитные сигналы от событий или изменений
снаружи стенки трубки. Это могут быть сигналы от опорных перегородок, трубных листов,
антивибрационных стержней ( AVB’s) или от любых других опор или укрепляющих
конструкций.
Основной процесс заключается в том, что нужно выбрать две разные частоты и соединить
их для создания нового канала данных. Если мы тщательно выберем частоты, мы сможем
соединить их электронным способом таким образом, что сможем сохранить
чувствительность к повреждениям стенок трубки и в то же время удалить (или, по крайней
мере, уменьшить) чувствительность к сигналам отсутствия дефектов.
Следует иметь в виду, что высшие частоты не смогут «видеть» или воспринимать опорные
конструкции так, как низкие частоты, поскольку глубина проникновения будет меньше.
Высшие частоты более чувствительны к событиям или изменениям внутри стенки трубки,
чем к состояниям снаружи стенки трубки.
Вихревые токи, сгенерированные каналом высшей частоты будут слабее, чем те, которые
сгенерированы сигналом низкой частоты к тому моменту, когда они полностью пройдут
через стенку трубки и начнут определять изменения снаружи стенки трубки.
Данный тип фазового рассеяния будет типичным для канала первичной частоты. Данный
канал был выбран, поскольку он будет обеспечивать хорошее разрешение дефекта. Исходя
из ZQA 4.1 Таблицы обработки данных, представленной ранее, данный канал должен дать
нам достаточно точный ответ по процентам утонения стенки трубки и для трубок в
пролете.
Ранее мы определили, что имеем около 20% магнитного поля, сгенерированного катушкой
при этой частоте снаружи стенки трубки. Наш классический отклик от опоры трубки будет
приблизительно той же амплитуды, как и наш 100% TWH (сквозное ответствие). На
данный информационный канал будут оказывать влияние на опорные конструкции или
наплавы по внешнему диаметру, когда датчик проходит рядом с ними. Если утонение
стенки трубки наблюдается в точке, в которой мы находимся близко к одному из событий с
отсутствием дефектов, наш сигнал будет представлять собой сводную проекцию для
обоих одновременно.
Данный тип частоты может быть выбран для использования, когда низкая частота должна
помочь создать возможность смешения. Как показано выше, рассеяние фазового угла при
дефекте значительно меньше, чем показано на Рисунке 6.2 для первичной частоты. Отклик
на событие, которое подлежит подавлению или смешению, также является крайне важным.
В первичной частоте мы сказали, что TSP и TWH будут иметь аналогичные амплитуды.
Это основано на глубине проникновения при диапазоне частот и относительно небольшом
проценте магнитного поля снаружи стенки трубки. При данной низкой частоте процент
нашего общего поля снаружи стенки трубки будет значительно больше. Сигнал TSP при
данной низкой частоте будет значительно сильнее, чем отклик TWH. Но более важным
является то, что в результате определения времени, фазовый угол TSP будет разным в этих
двух каналах.
Оба эти канала, которые мы используем в схеме смешения должны определять и дефекты
и позиции, подлежащие вычитанию; в этом случае это наш TSP. Многие из возможных
дефектов, которые могут встретиться, будут обнаружены на трубке, когда она будет
проходить через или рядом с одной из этих опорных конструкций.
Дефекты могут возникать по следующим причинам: местное напряжение, химическое
воздействие, механическая вибрация, или поток воды и/или пара вокруг трубок.
Ниже представлены два возможных отклика на определение НЕПОВРЕЖДЕННЫХ
опорных перегородок трубки (TSP) от канала «А» (высшая частота) и канала «В» (низкая
частота). Оба этих канала были откалиброваны путем приведения их направленных и
фазовых сигналов к стандарту ASME. TWH было присвоено 40° в обоих случаях.
Посмотрим с другой стороны на тот же тип пересечения TSP, показанный на рисунке 6.4.
В этот раз поместим 60% сквозной дефект (трещину или ямку, возникшие на поверхности
по внешнему диаметру) на границу TSP. Вихревые токи будут реагировать на общее поле
проекции, которая подразумевает то, что мы увидим комбинированный и средний отклик,
показывающий и TSP и дефект одновременно.
При сравнении рисунков 6.4 и 6.5, вы можете заметить, что возникает некоторое
изменение сигнала. Мы должны признать, что искажение или изменение сигнала
происходит в результате комбинированных сигналов от дефекта или TSP, возникающих
одновременно.
Если бы нам удалось найти способ уменьшить амплитуду исходного сигнала TSP, в этом
случае мы бы смогли лучше видеть сигнал дефекта.
Электронным способом мы можем взять сигналы «А» и «В» и скомбинировать их для
создания нового канала данных. Если мы измерим отклик фазового угла TSP в этих двух
каналах, мы увидим, что они находятся под углом приблизительно 90° «не в фазе» по
отношению друг к другу. Это рассматривается как хорошие связи для смешения или
подавления откликов при наплавах по внешнему диаметру и опорных конструкциях.
Наше главное правило по выбору частоты, которая должна комбинироваться с первичной
частотой для осуществления процесса смешения, заключается в следующем:
если fo ≥ 300 кГц, наш «Канал подавления по внешнему диаметру» будет fo/4
если fo < 300 кГц, наш «Канал подавления по внешнему диаметру» будет fo/2
Необходимо иметь в виду, что «правила» для выбора первичной частоты и для выбора
компонентов для смешения являются предварительными, исходными. Когда fo начинает
снижаться (ниже 100 кГц), этот способ может перестать действовать. Окончательным
подтверждением комбинирования частот, смешение которых вы осуществляете, является
следующее:
Насколько хорошо подавлен источник шума? или
Какое количество фазового рассеяния обеспечивается для анализа данных?
Дополнительный частотный интервал может быть заполнен для обеспечения других типов
информации. Данная частота может быть между первичной частотой и частотой
подавления по внешнему диаметру. Данный канал может быть использован позднее для
улучшения способности определения дефектов и подтверждения источником
неправильных сигналов.
Нашим четвертым выбором является частота локатора, которая настолько низкая, что
может чувствительна только опорные конструкции. Она может быть использована для
автоматического размещения или алгоритмов анализа в цифровой системе.
Калибровка системы ЕС должна осуществляться в соответствии с установленной
процедурой.
Уровням усиления и пролета на собственных частотах может потребоваться корректировка
для обеспечения определения и/или характеристики интересующих сигналов в канале (
дефекты и опорные конструкции по ASME).
Как правило, частота локатора настолько низкая, что мы не корректируем ее на дефектах,
как другие три выбранные частоты. Мы посмотрим на отклик TSP с точки зрения нашего
стандарта и откорректируем данный канал для получения образца сигнала, который мы
можем использовать для обнаружения таких событий, как опорные перегородки, верхняя
точка трубной доски, конец трубки и другие основные рефлекторы.
Инспекционные вопросы:
Самое новейшее токовихревое оборудование включает в себя микшеры и другие
специальные средства, позволяющие собирать и анализировать данный с высокой
точностью.
Вспомогательные каналы данных смешенной частоты будут использоваться для
подавления источников паразитных сигналов, которые могут помешать обнаружению
сигналов дефекта или установлению размеров.
Скорость инспектирования (преимущества датчика) зависит от диапазона проекции
используемого датчика, скорости оцифровки системы вихревых токов и от частотных
откликов устройств записи, необходимых для обеспечения 100% инспекции.
Выбор параметров анализа
Характеристика дефекта, как правило, проводится с использованием одного из следующих
подходов:
Измерить фазовый угол дифференциального вихретокового отклика лиссажу. Сравнить
полученное измерение угла с откликами фазового угла от известной глубины дефекта в
стандарте калибровке FHB ASME. Могут быть получены предыдущие сведения по кривой
с точной и прямой корреляцией для целого диапазона механизмов дефекта разной
глубины. Этот подход как правило применяется для несплошностей «небольшого
размера», имеющих ограниченную протяженность и объем по оси.
Измерить амплитуду (напряжение) самосравнивающихся дифференциальных каналов или
каналов со ссылкой на внешний источник, имеющих отклики на механизм дефекта.
Сравните данные значения с напряжениями калибра с искусственными дефектами,
которые точно моделируют тип повреждения, которое было обнаружено во время
инспекции. Этот подход, как правило, применяется для несплошностей "больших
размеров", которые имеют значительную протяженность по оси и/или объем, по
сравнению с полем инспекционной катушки проекции.
Точное измерение размеров не всегда возможно. При некоторых режимах повреждения
отношение сигнал/шум очень низкое. Другим ограничивающим фактором может быть то,
что точные стандарты просто не могут быть созданы. В этом случае для определения
расположения или типа сигнала может применяться описательный классификатор. (DSP деформированная опорная перегородка).
Подтверждение несплошности зависит от типа используемого датчика и от режима
эксплуатации. Таблица "истинности" может быть определена для корреляции
вихретоковых выходных откликов от многих каналов. Когда корреляция всех
соответствующих каналов положительная, сигнал может классифицироваться как
несплошность.
Если согласно информации катушки возможности обнаружения и определения размера
приемлемы, дополнительные инспекции не требуются.
В случае очевидного искажения сигнала проходной катушки тип и размер несплошности
необязательно будет таким критичным, как расположение или происхождения
интересующего сигнала. Плохое отношение сигнал/шум проходной катушки может быть
обнаружено везде, где геометрия стенки трубки была растянута или сжата. Техники изгиба
и/или расширения в течение производства, также как и углубление, напряжение при
кручении, повреждение при ударе в течение эксплуатации могут создать участки
напряжения, которые могут привести к образованию дефектов.
Геометрия дефекта сама по себе может привести к искажению вихретокового выходного
сигнала. Некотоорые несплошности могут образовываться очень быстро (небольшие
трещины, ямки, неровные края и т.д.).Другие могут образовываться в течение более
длительногопериода времени (постепенноеутончение поверхности по внутреннему или
внешнему диаметру, протяженные трещины, изнашивание, зоны эрозии/коррозии и т.д.).
Все искаженные и неоднозначные сигналы, которые могут быть связаны с дефектами,
должны быть повторно проверены с использованием альтернативных подходов.
Любое оборудование или программное обеспечение, рассматрииваемое Ведущим
экспертом как необходимое для обнаружения несплошности должно использоваться в
соответствии с установленными процедурами.
Данные дополнительные инспекции, обеспечивающие дальнейшую характеристику
искаженных или неоднозначных сигналов, могут быть выполнены согласно:
1) Технология с использованием моторизованной вращающейся зондовой катушки (MRPC)
2) Матричные катушки в неподвижном корпусе
3) Матричные катушки с перемещаемым корпусом
4) Технология с использованием опытного образца катушки или разъемной катушки
Для проверки возможностей обнаружения в каждой технике необходимо использовать
соответствующие стандарты калибровки.
Возможное улучшение качества сигнала, время инспекции и время анализа должны быть
учтены до применения данных дополнительных техник.
Окончательный отчет по инспекции должен быть предоставлен клиенту в течение
разумного периода времени после выполнения обследования. Должны быть предоставлены
следующие документы (как минимум):
- Письменный отчет, охватывающий все аспекты сбора данных и процесса анализа
- Оригиналы всех цифровых носителей, содержащих текущую информацию по
вихретоковой инспекции.
- Сводные результаты по проанализированной информации по вихревым токам
- Каталог, включающий в себя графические средства, используемые в течение этапа
анализа данных для отображения типовых сигналов.
- Схема трубной доски, которая может помочь определить примеры разрушения трубки
для оказания содействия в прогнозировании графика остаточного срока эксплуатации
трубного пучка и последующего ремонта или замены.
Глава 7
Механизмы разрушения стенки трубы
Трубопрокатные заводы обычно проводят очень хорошую работу, связанную с обследованиями
методами неразрушающего контроля (NDT). Они могут оптимизировать процессы инспекции и
обычно выявляют трубы со значительными нарушениями однородности до их установки в
теплообменники. Контроль вихревыми токами (ECT) обычно является частью этого процесса.
Сегментный
зонд
Плоская катушка
Угловой
зонд
Зонд для
инспекции
швов
Многосекторная
катушка
Вращающийся
зонд
Зондполумесяц
Охватыв.
катушка
Рис. 7.1: Инструменты ЕСТ контроля
Большая часть этой инспекционной работы проводится при оптимальных условиях и на прямых
трубах. Процессы производства теплообменников (сгибание, монтаж и развальцовка) известны
своим влиянием на целостность стенки трубы, что может впоследствии привести к проблемам. Есть
случаи, когда заказчик требует проведения обследования ECT на новом теплообменнике после
окончательной сборки, до начала эксплуатации. Это называется пред эксплуатационным
обследованием или PSI. Информация по итогам обследования может быть очень полезна. Прежде
всего, эти данные могут подтвердить, соответствует ли качество аппарата техническим условиям по
контракту. Если это выполняется в сборочном цехе до отгрузки на площадку, это может помочь
ускорить возможные ремонтные работы, которые могут потребоваться. Данные ECT должны
храниться для справки на случай возникновения судебных споров в будущем. Во-вторых, эта база
данных обеспечивает конечного потребителя «отпечатками пальцев» труб до начала эксплуатации
и воздействия окружающей среды. После того, как труба находилась в эксплуатации, она
подвергается дополнительным обследованиям. Такие эксплуатационные обследования (ISI)
могут выявить признаки, свидетельствующие об изменении состояния стенки трубы. Возможность
сравнить данные ISI с данными PSI очень помогает в понимании происхождения и увеличения
скорости ухудшения состояния стенки трубы.
Существуют некоторые состояния или аномалии теплообменных труб, которые были определены
производителем как допустимые (согласно определениям, данным в оригинальных технических
условиях к контракту на изготовление), и которые заказчик захочет проверить или провести
повторную оценку до ввода аппарата в эксплуатацию, используя свои критерии.
Аномалии стенки трубы, относящиеся к технологии
Приварные трубы могут иметь различные состояния, вызванные процессом сварки. Несмотря на
возможную приемлемость по стандартам производителя, эти сварочные состояния могут привести
к последующим поареждениям труб. Инспекция вихревыми токами может выявить некоторые
номинальные состояния и создать испытательню информацию или «шум», которая может быть
неправильно расценена как информация о дефекте. Стандартные неприемлемые проблемы,
связанные со сваркой, такие как непроплавление, пористость, непровары, могут вызывать
локальные напряжения или геометрические состояния, которые, при обнаружении методами
неразрушающего контроля, могут быть связаны с активным механизмом разрушения ISI.
Варианты геометрии стенки трубы могут встречаться в различных формах. В зависимости от
используемых процессов развальцовки есть вероятность развальцовки в ненадлежащем месте.
Чрезмерная развальцовка трубы в области «пролета в свету» (за пределами ограничителей трубной
доски или опорных перегородок) создает области в напряженном состоянии, которые склонны к
усталостному растрескиванию и/или коррозионному растрескиванию (SCC).
Другими вариантами геометрии стенки трубы, связанными с процессом изготовления, могут быть
зазубрины (на опорной перегородке трубы), вмятины (точки вдавливания инородного объекта в
пролете в свету или безопорной трубе), и механическое сжатие стенки трубы (от скоб,
кронштейнов, связей, опор или повреждения от подъемных механизмов). Каждая трубка
устанавливается в пучок техническим специалистом, который сначала вставляет ее в трубное
отверстие и затем пытается протолкнуть через ряд внутренних опор, без слишком большего
давления. Иногда по внешнему диаметру трубы могут появляться царапины по мере прохождения
ее через отверстия в опорах. В некоторых ситуациях производитель может попытаться удалить эти
царапины ручным абразивным устройством ленточного типа. Эти небольшие утонения стенки
легко выявляются при испытании ECT и иногда их относят к "отметкам полировки» или
шлифовальным отметкам производителя (MBM). Они могут быть приемлемыми или
неприемлемыми состояниями, в зависимости от условий контракта
Варианты геометрии стенки трубы в некоторых случаях могут выступать в качестве
концентраторов напряжений для механизмов растрескивания или создавать области турбулентного
потока, который может привести к эрозии стенки трубы. Процесс ECT очень чувствителен к
локализованным вариациям геометрии стенки трубы. Нередко сигнал, возникший из-за довольно
небольшого изменения геометрии (например, вмятины) в несколько раз больше амплитуды или
напряжения ЕСТ несплошностей стенки трубы, которые могут быть неприемлемыми. Сигналы
очень серьезных повреждений могут быть легко замаскированы или "искажены" некоторыми из
этих геометрических вариаций. Расшифровка результатов испытаний в этих местах должна
считаться двойственной, кроме случаев, когда проведены дополнительные инспекции с
использованием специально разработанного зонда не чувствительного к источнику сигнала
связанного с геометрией. Эти дополнительные инструменты обычно включают в себя технологию с
использованием плоской катушки пружинного типа, перемещаемой по поверхности.
Механизмы повреждения стенки трубки при эксплуатации
Вероятно, существует столько комбинаций повреждений теплообменников, сколько существует
типов теплообменников. Виды повреждений можно подразделить на две категории: механические
или коррозионные.
Механические утонения стенок могут возникать, когда скорость потока вокруг и через трубки
достигает критического значения. Повреждения обычно выявляются в пределах интерфейса
опорной перегородки трубы. Это может проявляться в качестве следов износа или коррозионного
истирания.
Вибрация, вызванная
поперек трубного пучка
Перетирание от опорной
перегородки трубы
потоком,
Перетирание одной
трубки о другую
Рис. 7.2: Критические области трубных пучков, склонные к повреждениям изза вибрации
Рис. 7.3: Повреждение / перетирание, возникающее в результате вибрации
опорной перегородки трубы (TSP)
В зависимости от характеристик материала и потока, следы износа или коррозионное истирание
могут возникать по всей окружности трубы или могут распространяться только на определенной
части вокруг трубы. Как правило, это повреждение охватывает всю толщину опорной перегородки
трубы.
Перетирание в результате взаимодействия трубок между собой
Рис. 7.4: Повреждение в результате вибрации трубок
взаимодействия между собой
и
их
Воздействие трубок друг на друга может быть вызвано большими утонениями основной опорной
перегородки в приграничных областях. Характер износа между трубками "пролет в свету"
распространяется не быстро. Дифференциальные каналы могут не выявить это состояние должным
образом. Переход в и из области износа будет постепенным. Абсолютные каналы будут являться
инструментами первичного выявления и измерения этого механизма повреждения.
К другой форме утонений внешних стенок иногда относят удар или эрозию/коррозию внешнего
диаметра. Это обычно происходит в конце опорных конструкций, где поток жидкости или пара
ограничен и становится более сконцентрированным.
УДАР
Турбулентность
создает утонение
внешней стенки
трубки
Сырой пар ударяет о стенку
трубки и направляется под
воздействием опорных
конструкций
Опорная
перегородка
Рис.7.5: Утонения внешний стенки / ударное или эрозионнокоррозионное повреждение
Эрозия\коррозия является более объемным состоянием. Оно вызвано взаимодействием жидкости
(или пара) с поверхностью. В зависимости из стенки трубы, оно может быть на внешнем диаметре
или внутреннем. Эти взаимодействия могут привести к быстрым утонениям стенки трубы на
больших площадях. За счет гидродинамики материал стенки трубы "вычищается" и удаляется.
Эрозия внутреннего диаметра стенки трубы является обычным явлением в аппаратах с большими
входящими потоками (входная эрозия). Эрозия чаще встречается в более мягких медных сплавах
и латуни; и реже в бронзе и медно-никелевых материалах.
Эффективность ECT:
Объемные состояния утонений стенки, связанные с механическими процессами, легко выявляются
при широком диапазоне частот и каналов (дифференциальные и абсолютные). Их выявляемость
зависит от их объема. Однако, определение размера зачастую является более сложной задачей.
Необходимо использование специальных стандартов, которые аккуратно моделируют тип дефекта.
При быстрых изменениях толщины стенки трубы, могут быть использованы калибровочные
кривые фазы-глубины. Часто требуется процесс калибровки вольт-глубина для более точного
определения размеров такого типа повреждений.
Коррозионные повреждения
Точечная коррозия является наиболее распространенной формой коррозионных поражений,
особенно в сплавах на основе меди. Наибольшая точечная коррозия обнаруживается на
поверхности внутреннего диаметра трубы. Точки имеют тенденцию сосредотачиваться на нижней
половине (от отметки 3 часа до 9 часов) в горизонтальных трубках под влиянием силы тяжести.
Точечная коррозия редко встречается единично. Часто многочисленные точки образуются в одной
и той же области.
Рис. 7.6: Многочисленные коррозионные точки на внутренней стенке
Со временем точечная коррозия может прогрессировать до появления точек в пределах точек. Это
приводит к общему разрушению (изнашивание/утонение стенки).
Рис. 7.7: Сильная точечная коррозия внутренней стенки
Увеличение коррозионных точек часто связано с низкими скоростями потока или застаиванием.
Это может возникнуть во время нерабочего состояния, когда теплообменник выведен из
эксплуатации или когда он изолирован от обычного процесса, чтобы позволить системе оставаться
в работе.
Увеличение точечной коррозии обычно протекает достаточно медленно и его можно
отслеживать в течение нескольких циклов. Во многих случаях точечная коррозия может
присутствовать и выявляться при обследовании методом ECT во время двух циклов даже до того
момента, как она достигнет уровня, подлежащего «регистрации». Пороговое значение точечной
коррозии, которое необходимо регистрировать, составляет 20% или более.
Рис. 7.8 Отклики точечной коррозии низкого уровня
Точечная коррозия может формироваться в местах, где в трубы попадают органические отходы,
такие как ракушки, палки, листья и прочие.
Другие эксплуатационные условия (MIC (биологическая коррозия), отложения, окалина и
загрязнение в виде частиц или биологического характера) могут способствовать развитию
точечной коррозии. Это может привести к образованию точечной коррозии в местах локализации
под воздействием гидродинамики (турбулентности) и химических процессов.
Биологическая коррозия (MIC) коррозия, вызываемая «маленькими» биологическими
организмами, что как правило приводит к развитию механизма точечной коррозии. Точечная
коррозия может представлять собой небольшое локализованное образование или может
охватывать большую область поверхности. Сами организмы или продукты их жизнедеятельности
создают потенциальные места для образования коррозии. Для прерывания их роста необходим
контроль химического состояния коррозионной воды.
Загрязнение осадками вызвано химическими веществами, используемыми при установке или
регулировании химического состава воды завода. Эти химические вещества могут выделяться из
раствора и рекристаллизоваться на поверхности стенки трубы. Различные материалы, богатые
кальцием, сульфатами, фосфатами, силикатами, железом и/или марганцем, могут привести к
отложениям окалины на внутреннем диаметре трубы. Отложения ограничивают прохождение
потока при достаточно высоких концентрациях, а также зонда во время инспекций. Для удаления
этих отложений, возможно, потребуется проведение специальной очистки.
Взвешенные твердые вещества это любой материал такой плотности и размера, которых
достаточно для того, чтобы привести к потенциальной эрозии/коррозии. Скорость потока
становится контролирующим фактором. Если поток небольшой, материал нарастает, образуя
Рис. 7.9: Отказ входных классификаторов,
"»биологическому» проникновению
препятствующих
большие отложения, и блокирует нормальный поток. Если скорость потока становится слишком
большой, может возникнуть эрозия (утонения стенки трубки).
Биологическое загрязнение может быть вызвано большими либо маленькими организмами
(моллюски, мидии и т.д.), которые могут прикрепляться к внутренней поверхности трубок. Иногда
это называют загрязнением крупными наносами. Как правило, это является следствием
сниженной скорости потока, скопления химических концентраций на стенке трубы и приводит к
биологической коррозии (точечной). Фильтры и классификаторы систем входящей воды
спроектированы для предотвращения значительного проникновения, но личиночные формы
многих видов могут проникать сквозь и внутрь различных теплообменных систем.
Рост моллюсков на трубной доске конденсатора
пучка
Биологическое
загрязнение
трубного
Рис. 7.10: Органические вещества могут затронуть как внутренний, так и внешний диаметры
Пустоты и эрозионные точки могут быть выявлены в зонах высокоскоростных потоков трубных
пучков. Данные дефекты имеют другую модель в отличие от классических дефектов, вызванных
химическими процессами. В данных случаях точечная коррозия также имеет косвенное влияние
химических процессов, но основным ее движущим фактором является гидродинамика. Точки
могут становиться достаточно глубокими за относительно короткие сроки (месяцы).
Рис. 7.11: Локальное быстрое развитие точечной коррозии на внутренней стенке
Точечная коррозия на внешнем диаметре не является механизмом повреждения, типичным для
большинства трубных сплавов на основе меди. На рисунке ниже показан материал 304SS, который
был подвержен суровым химическим воздействиям
Рис. 7.12: Точечная коррозия внешнего диаметра
Конденсационные канавки, которые иногда называют конденсационной коррозией, являются
механизмом разрушения, типичным для секции удаления воздуха конденсатора или зоны
непосредственно под ней. Она также может возникнуть в «мертвых зонах» трубного пучка. Эта
форма коррозии вызвана воздействием концентрированного аммиака в кислородосодержащей
среде.
Наличие кислорода вызвано пропуском воздуха. Аммиак может быть либо использован внутри,
либо вырабатываться системой химической воды цеха. Конденсат с этими характеристиками
может омывать опорные перегородки и образовывать круглую канавку в трубе путем прямого
химического воздействия. Латунные сплавы очень подвержены действию этого механизма
повреждения. Медно-никелевые сплавы и многие другие материалы, обычно используемые в
материалах труб, не должны быть затронуты этим воздействием.
Коррозионное растрескивание
Коррозионное растрескивание (SCC) очень часто связано с совокупностью воздействий. В
большинстве моделей это связано с комбинацией легированной микроструктуры, напряжения
стенки трубы, температуры, и идентифицируемой коррозионной среды. Классическое
коррозионное растрескивание встречается в виде межкристаллической коррозии на границе зерен.
Под микроскопом видна ее классическая «разветвленная» структура.
напряжение
Окружающ. среда
микроструктура
Рис. 7.13: Коррозионное растрескивание
Сплавы теплообменных труб, наиболее часто подвергаемые коррозионному растрескиванию, латунь и 304 SS. В большинстве случаев она возникает на внешнем диаметре, но могут быть и
случаи коррозионного растрескивания на внутреннем диаметре. Даже при отсутствии напряжения,
возможен общий разрыв пограничного слоя зерна, которое может произойти и без растрескивания.
Это обычно называют межкристаллической коррозией (IGA). Это редкое явление, но встречалось
в таких материалах, как адмиралтейская латунь, алюминиевая латунь, кремнистая бронза. В
областях, где одновременно встречаются обе формы повреждений, применяется термин IGA/SCC.
Щелевая коррозия представляет собой локализованное коррозионное воздействие, иногда
обнаруживаемое в открытых щелях или других областях теплообменника, где выявляются слабые
потоки на вторичной стороне. Такая ситуация может складываться в небольшом зазоре между
внешним диаметром стенки трубы и отверстием опорной перегородки трубы или там, где
скопление отложений на внешнем диаметре ограничивает вторичный поток. Металлические
хлориды могут концентрироваться в таких зонах и быстро вызывать сквозные поражения стенки.
Это состояние больше свойственно нержавеющим трубам, чем медным сплавам.
Распад сплава - это коррозионный процесс, при котором из сплава селективно удаляется или
«выщелачивается» один металл, оставляя за собой более «пористые» или «губчатые» условия.
Одной из наиболее обычных форм является коррозия цинковых сплавов латуни. После выхода
цинка из латуни остается тонкий слой меди и оксида меди. В результате это может привести к
сквозным поражением стенки. Коррозия может быть местной в виде «пробки» или «узелка»,
которая в результате будет выглядеть как точечная коррозия. На ранних стадиях выявление
методом ЕСТ может быть затруднено ввиду очень маленького изменения локализованной
проводимости при наличии пробки .