УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ШВА ЭЛЕКТРОСВАРНЫХ ТРУБ ПИРОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ СПОСОБОМ

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля ферромагнитных металлических электросварных труб в процессе их производства.
Технология производства электросварных труб обладает многими достоинствами, в том числе, высокой производительностью и хорошей геометрией труб. Потребность в таких трубах высокого качества постоянно увеличивается. В настоящее время в промышленности применяется несколько типоразмеров станов высокочастотной сварки, охватывающих сортамент изготавливаемых труб по диаметру 20-630 мм, а по толщине стенки 1-16 мм. Известно, что нарушение сплошности в электросварных трубах, как правило, локализованы в зоне шва. Поэтому проблема надежного контроля качества сварного шва является актуальной.
Известно устройство контроля качества сварного шва электросварных труб в приложенном намагничивающем поле с использованием индуктивных или магниточувствительных преобразователей для фиксации полей рассеивания от дефектов [Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общ. ред. В.В. Клюева. Т.6: В 3 кн. Кн. 1: Магнитные методы контроля. / В.В.Клюев, В.Ф. Мужицкий, Э.С. Горкунов, В.Е. Щербинин. - М.: Машиностроение, 2004.: ил. стр.101-109].
Устройство состоит из системы полюсного намагничивания, которая по всей толщине трубы создает магнитное поле, направленное перпендикулярно оси сварного шва и расположенных над ним магниточувствительных преобразователей. При наличии нарушения сплошности сварного шва силовые линии магнитного поля выходят наружу создавая поле рассеивания над дефектом, которое измеряется магниточувствительными элементами.
Недостатком такого устройства является необходимость расположения преобразователей близко к контролируемой поверхности (0,5-2 мм) для обеспечения необходимой чувствительности, что ведет к частому выходу их из строя (механический износ, воздействие агрессивной внешней среды) и, соответственно, снижению надежности контроля. Также для поддержания постоянного зазора между преобразователями и поверхностью трубы необходимо сложное механическое устройство крепления преобразователей с применением механизма слежения за швом.
Известно также устройство контроля качества сварного шва электросварных труб вихретоковым способом [Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, В.Н. Филинов и др., Под ред. В.В. Клюева. - М. Машиностроение, 1995.: ил. стр.308-309.]. Устройство содержит проходной вихретоковый преобразователь трансформаторного типа с возбуждающей обмоткой, имеющей отношение длины к диаметру в пределах единицы, и двумя короткими измерительными катушками, включенными в мостовую схему. Сигнал с измерительных обмоток поступает на предварительный усилитель, далее на фазовый детектор и систему перестраиваемых фильтров. Отфильтрованный сигнал поступает на пороговое устройство, соединенное с блоком автоматической сортировки и маркером.
Недостатком данного устройства является неопределенность в трактовке сигналов от коротких и протяженных дефектов в сварном шве, что сказывается на достоверности контроля. Сигналы от двух коротких несплошностей (несплопшости меньше чем расстояние между измерительными катушками) могут соответствовать сигналам от одной более длинной, чем расстояние между измерительными катушками, где сигнал соответствует величине начальной и конечной частей несплошности. Сигналы от комбинации коротких и протяженных дефектов могут быть очень сложными для истолкования или даже могут вводить в заблуждение.
Также для труб с толщиной стенки более 3 мм вследствие скин-эффекта резко ухудшается чувствительность к внутренним дефектам ориентированным вдоль сварного соединения.
Следует отнести к недостаткам данного устройства и то, что с увеличением диаметра контролируемой трубы уменьшается отношение сигнал/шум поскольку сигнал от измерительной катушки образуется со всего периметра трубы (интегральный эффект), в то время как дефекты локализованы в довольно узкой области сварного шва.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для осуществления пироэлектромагнитного способа неразрушающего контроля [Патент РФ №2189583].
Устройство содержит точечный преобразователь температуры в виде термопары хромель-алюмель, подсоединенный к входу предварительного усилителя, выход которого через аналого-цифровой преобразователь подсоединен к компьютеру, двухкоординатное электромеханическое устройство на котором установлена термопара для размещения ее над поверхностью контролируемого изделия также подсоединенное к компьютеру, катушки для создания переменного электромагнитного поля, подключенные к генератору высокочастотного напряжения и катушки для создания постоянного магнитного поля, подключенные к источнику постоянного тока.
Устройство работает следующим образом. Электросварную трубу размещают внутри катушек переменного и катушек для создания постоянного магнитного поля. При включении генератора высокочастотного напряжения, катушки создают вихревые токи в трубе, а при включении источника постоянного тока, подключенные к нему катушки создают в ней постоянное магнитное поле. В магнитном поле труба намагничивается до состояния технического насыщения. Оказавшиеся внутри изделия дефекты из-за действия размагничивающего фактора будут искажать силовые линии магнитного поля и изменять намагниченность как вблизи себя, так и в приповерхностном слое. В результате из-за нелинейности характеристики намагничивания ферромагнитного тела вблизи поверхности изменится магнитная проницаемость. Это приводит к перераспределению плотности вихревых токов и неравномерности выделяемого тепла, которое фиксируется точечным преобразователем температуры, сканирующим поверхность электросварной трубы с помощью двухкоординатного электромеханического устройства.
Недостатком данного устройства является применение точечного преобразователя температуры, которому необходимо контактировать с поверхностью контролируемой трубы, что при контроле в поточном производстве электросварных труб неприемлемо, так как приведет к его быстрому изнашиванию. Из-за трения о поверхность будет происходить дополнительный нагрев, что приведет к значительным погрешностям в измерении температурного рельефа. Следует отметить, что помещение электросварной трубы в данное устройство приведет к ее намагничиванию вдоль сварного шва поскольку постоянное магнитное поле создается катушками охватывающими трубу и силовые линии магнитного поля будут обтекать узкие протяженные дефекты, что не приведет к изменению магнитной проницаемости в приповерхностном слое в результате чего внутренние дефекты не будут обнаружены.
В основу полезной модели положена задача расширения функциональных возможностей устройства для контроля качества шва электросварных труб пироэлектромагнитным способом за счет достоверного выявления протяженного дефекта посредством воздействия на него постоянным магнитным полем, силовые линии которого перпендикулярны оси шва, получения с помощью инфракрасной камеры наибольшего контраста изображения температурного рельефа между дефектной и бездефектной областями для различных диаметров труб управлением параметрами высокочастотного генератора напряжения при расположении инфракрасной камеры над трубой на расстоянии, препятствующем износу камеры и искажению результатов, выявления дефектов в инфракрасной оптической области спектра, и фиксации их на оптическом изображении.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для контроля качества шва электросварных труб пироэлектромагнитным способом, включающем катушки для создания переменного электромагнитного поля, подключенные к выходу высокочастотного генератора напряжения, устройство для создания постоянного магнитного поля с источником постоянного тока, и преобразователь температуры, связанный с компьютером, согласно полезной модели преобразователь температуры выполнен в виде инфракрасной камеры, соединенной с компьютером, в качестве устройства для создания постоянного магнитного поля используют электромагнит с ярмом и полюсными наконечниками, обмотки которого подключены к источнику постоянного тока.
При этом:
- компьютер подключен к входу высокочастотного генератора напряжения;
- инфракрасная камера с помощью специального кронштейна механически крепится к одному из полюсных наконечников электромагнита.
Выполнение преобразователя температуры в виде инфракрасной камеры, соединенной с компьютером, позволило осуществить визуализацию температурного рельефа этой камерой в инфракрасной оптической области спектра, с возможностью расположения камеры на расстоянии 0,5-1 м. над поверхностью сварного шва, что повышает надежность устройства в целом Изображения, получаемые инфракрасной камерой после обработки специальным программным обеспечением компьютера создают возможность управления мощностью высокочастотного генератора для получения наибольшего контраста дефектной и бездефектной областей для различных диаметров труб.
Использование электромагнита с ярмом и полюсными наконечниками, обмотки которого подключены к источнику постоянного тока в качестве устройства для создания постоянного магнитного поля, направленного перпендикулярно оси шва, создаваемого электромагнитом, улучшает выявление внутренних дефектов для труб с толщиной стенки более 3 мм, поскольку силовые линии будут пересекать протяженный вдоль шва внутренний дефект и сгущаться вблизи поверхности огибая его. Это приведет к изменению магнитной проницаемости в приповехностном слое, перераспределению плотности вихревых токов и изменению температурного рельефа в области дефекта.
Подключение компьютера к входу высокочастотного генератора напряжения обеспечило возможность управления мощностью высокочастотного генератора в зависимости от размеров изделия в данном случае диаметра трубы, что позволяет получить с помощью инфракрасной камеры наибольший контраст в температурном рельефе между дефектной и бездефектными областями.
Физическая сущность измерительных процессов заявляемого устройства заключается в том, что в контролируемой зоне сварного соединения создается высокочастотное электромагнитное поле и постоянное магнитное поле направленное перпендикулярно оси шва. При этом в постоянном магнитном поле тело трубы намагничивается до состояния технического насыщения. Когда в этой зоне присутствует внутренний дефект, распределение намагниченности изменяется вблизи него и на поверхности, что приводит к увеличению величины магнитной проницаемости, а это в свою очередь приводит к перераспределению плотности вихревых токов, создаваемых высокочастотными катушками. В месте нахождения дефекта плотность вихревых токов увеличивается. Это приводит к увеличению выделения джоулева тепла и повышению температуры на поверхности. Для поверхностного дефекта (трещины) помимо изменения магнитной проницаемости в месте его нахождения вихревые токи распространяются по стенкам дефекта вглубь, что приводит к дополнительному нагреву трещины.
Таким образом, новый технический результат, достигаемый заявляемой моделью, заключается в достоверном выявлении дефекта посредством создания постоянного магнитного поля перпендикулярного оси сварного шва, в визуализации температурного рельефа инфракрасной камерой, расположенной над трубой на расстоянии, препятствующем износу камеры и искажению результатов и в управлении мощностью высокочастотного генератора напряжения с компьютера для различных диаметров труб.
Изображения, получаемые инфракрасной камерой после обработки специальным программным обеспечением создают возможность управления мощностью высокочастотного генератора для получения наибольшего контраста дефектной и бездефектной областей для различных диаметров труб.
Местоположение и протяженность дефектов наглядно фиксируются на оптическом изображении, полученном с инфракрасной камеры (тепловизора).
На чертеже изображена функциональная схема устройства для контроля качества шва электросварных труб пироэлектромагнитным способом.
Устройство для контроля качества шва электросварных труб пироэлектромагнитным способом (фиг) содержит катушки 1 для создания высокочастотного электромагнитного поля, электромагнит (изготовлен в Лаборатории, дефектоскопии ИФМ Уро РАН, сердечник и полюсные наконечники изготовлены из АРМКО железа), образованный полюсными наконечниками 2, ярмом 3 и обмотками 4 (по 900 витков каждая, провод диаметром 1.5 мм), которые подключены к выходу источника 5 постоянного тока. Катушки 1 подключены к выходу генератора 6 высокочастотного напряжения. Инфракрасная камера 7 (Testo 881-2), механически крепится с помощью кронштейна (на чертеже не показано) к одному из полюсных наконечников 2 над сварным соединением на расстоянии 0,5-1 м и подключена к компьютеру 8 (Advantech IPC-510), компьютер 8 подключен к входу генератора 6 высокочастотного напряжения.
Устройство работает следующим образом. Электросварная труба А поступательно движется через катушки 1 и между полюсными наконечниками 2 электромагнита сварным швом Б вверх так, чтобы шов был доступен для наблюдения инфракрасной камерой 7. Высокочастотные катушки 1 наводят в трубе вихревые токи, также в трубе с помощью электромагнита создается постоянное магнитное поле, перпендикулярного оси сварного шва Б. При наличии дефекта на поверхности сварного шва Б создается область повышенной температуры, которая фиксируется с помощью инфракрасной камеры 7. Далее сигналы изображения поступают на компьютер 8 для визуализации и обработки с помощью специализированного программного обеспечения, с помощью которого управляют мощностью высокочастотного генератора 6 для различных диаметров труб.