УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИХРЕТОКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ТРУБ СО СТОРОНЫ ИХ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ
DEVICE FOR EDDY CURRENT DEFECTOSCOPY OF FERROMAGNETIC PIPES ON SIDE OF THEIR INNER SURFACE

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для дефектоскопии труб из ферромагнитных металлов.
Известно устройство для вихретоковой и магнитной дефектоскопии труб [1], содержащее систему поперечного намагничивания труб и 12 магнитных измерительных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных магнитного датчика, дифференциального усилителя, фильтров нижних и верхних частот, регулируемого усилителя и пикового детектора. Кроме того, известное устройство содержит 12 вихретоковых каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных генератора переменного тока, дифференциального накладного вихретокового преобразователя, усилителя высокой частоты, фазового детектора, фильтра нижних частот, фильтра верхних частот, усилителя и пикового детектора. Принцип действия известного устройства основан на совместном использовании постоянного и переменного с частотой 300 кГц электромагнитного поля для поперечного намагничивания движущейся трубы и возбуждения в металле трубы вихревых токов. Поля рассеяния в зоне дефекта, создаваемые за счет постоянной составляющей поля, считываются магнитными датчиками. Поля рассеяния, создаваемые переменным электромагнитным полем, считываются дифференциальными вихретоковыми преобразователями. При этом за счет постоянного поля выявляются как поверхностные, так и внутренние дефекты. За счет вихревых токов, создаваемых переменным электромагнитным полем, выявляются поверхностные дефекты (глубина залегания не более 1 мм от наружной поверхности трубы). Применение постоянной и переменной составляющих электромагнитного поля позволяет разделять выявляемые дефекты на внутренние и наружные. Магнитные датчики расположены в двух блоках (кассетах): по шесть в каждом из них. Каждый вихретоковый преобразователь состоит из двух самостоятельных единичных элементов, представляющих собой дифференциальную пару измерительных обмоток с общей обмоткой возбуждения.
Недостаток известного устройства состоит в невозможности контроля толстостенных труб малого диаметра со стороны их внутренней поверхности из-за значительных габаритов системы поперечного намагничивания, необходимых для создания требуемой напряженности магнитного поля, обеспечивающего техническое магнитное насыщение металла трубы. Кроме того, известное устройство не обеспечивает подавления структурных шумов, характерных для горячекатаных труб.
Наиболее близко к предложенному, принятое за прототип, устройство для вихретоковой дефектоскопии ферромагнитных труб с их внутренней поверхности, содержащее источник постоянного тока, систему намагничивания, состоящую из цилиндрического магнитопровода с Н-образным продольным сечением и подключенной к выходу источника постоянного тока обмотки, размещенной на центральном стержне и выполненной в виде двух согласно соединенных и установленных с осевым зазором симметрично относительно центра магнитопровода идентичных секций, вихретокового преобразователя, установленного в зазоре между обмотками электромагнита, витки обмоток вихретокового преобразователя размещены на цилиндрическом каркасе, выполнены коаксиальными и охватывают центральный стержень магнитопровода. Устройство содержит также генератор переменного тока, подключенный к возбуждающей обмотке вихретокового преобразователя и электронный блок, подключенный своим входом к выходу вихретокового преобразователя [2].
Известное устройство имеет габаритные ограничения, обусловленные внутренним диаметром контролируемой трубы, что не позволяет довести до технического насыщения металл толстостенных труб малого диаметра из-за магнитного насыщения магнитопровода, не обладающего требуемой площадью поперечного сечения. При меньших напряженностях магнитного поля, создаваемых системой намагничивания, на вихретоковый сигнал сильное влияние оказывает структурная неоднородность металла, что особенно сильно проявляется в горячекатаных трубах. Возникающая из-за структурной неоднородности металла шумовая составляющая маскирует дефекты и не позволяет их выявить.
Еще один недостаток известного устройства состоит в сильной магнитной связи обмоток вихретокового преобразователя с металлом магнитопровода, что приводит к увеличению нестабильности выходного сигнала вихретокового преобразователя и уменьшению его относительной чувствительности к дефектам.
Цель изобретения - повышение достоверности контроля путем подавления влияния мешающих факторов, связанных со структурной неоднородностью металла труб.
Поставленная цель в заявляемом устройстве для вихретоковой дефектоскопии ферромагнитных труб со стороны их внутренней поверхности, содержащем источник постоянного тока, систему намагничивания, состоящую из цилиндрического магнитопровода с Н-образным продольным сечением и подключенной к выходу источника постоянного тока обмотки, размещенной на центральном стержне и выполненной в виде двух согласно соединенных и установленных с осевым зазором симметрично относительно центра магнитопровода идентичных секций, вихретокового преобразователя, размещенного в зазоре между обмотками электромагнита на цилиндрическом каркасе, соосном с магнитопроводом, а также генератора переменного тока, подключенного к возбуждающей обмотке вихретокового преобразователя и электронного блока, подключенного своим входом к выходу вихретокового преобразователя, достигается благодаря тому, что устройство снабжено фазовращателем, источник постоянного тока выполнен регулируемым, а электронный блок выполнен с возможностью амплитудно-фазовой обработки сигнала и подключен через фазовращатель к выходу генератора переменного тока.
Дополнительно, поставленная цель достигается благодаря тому, что возбуждающая обмотка вихреокового преобразователя состоит из витков, каждый из которых образован двумя размещенными с осевым зазором сообразными проводниками, расположенными в плоскостях, перпендикулярных оси магнитопровода, и двумя размещенными между ними проводниками, параллельными оси магнитопровода, а измерительная обмотка вихретокового преобразователя состоит из накладных катушек индуктивности, равномерно распределенных на боковой поверхности каркаса.
На фиг. 1 схематично показано заявляемое устройство;
на фиг. 2 отдельно показана форма витков секций возбуждающей обмотки;
на фиг. 3 показана цилиндрическая развертка одной из секций двухсекционной возбуждающей обмотки вихретокового преобразователя и размещенных внутри нее секций возбуждающей обмотки;
на фиг. 4 приведена электрическая схема замещения одной секции возбуждающей обмотки и соответствующих ей секций измерительной обмотки.
на фиг. 5 отдельно показан блок намагничивания и вихретоковый преобразователь в полости контролируемой трубы;
тн
тн
на фиг. 6 показано изменение  вносимого в вихретоковый преобразователь напряжения на комплексной плоскости при сканировании трубы с дефектами для напряженности, соответствующей 0,05Н, где Н - напряженность, требуемая для технического насыщения металла;
o
тн
на фиг. 5 показано изменение напряжения на выходе амплитудно-фазового детектора при оптимальном значении аргумента ϕ вектора опорного напряжения и для напряженности, соответствующей 0,05Н;
тн
на фиг. 6 показано изменение  вносимого в вихретоковый преобразователь напряжения на комплексной плоскости при сканировании образца с дефектами для оптимальной напряженности, соответствующей 0,2Н;
o
тн.
на фиг. 7 показано изменение напряжения на выходе амплитудно-фазового детектора при оптимальном значении аргумента ϕ вектора опорного напряжения и оптимальном значении напряженности, соответствующей 0,2Н
В качестве примера реализации заявляемого устройства на фиг. 1 представлена схема контроля для выявления дефектов со стороны внешней поверхности трубы при ее сканировании со стороны внутренней поверхности.
Устройство содержит систему намагничивания, состоящую из магнитопровода 1 и обмотки 2, образованной последовательно-согласно соединенными секциями 2.1, 2.2 и подключенной к регулируемому источнику 3 постоянного тока. Схема контроля содержит также вихретоковый преобразователь 4, состоящий из двухсекционной возбуждающей обмотки 5, образованной двумя последовательно-согласно соединенными секциями 5.1 и 5.2, и измерительной обмотки 6, образованной накладными катушками индуктивности 6.1-6.4, охватываемых витками секции 5.1, и накладными катушками индуктивности 6.5-6.8, охватываемых витками секции 5.2. Витки обмоток 5 и 6 размещены на боковой поверхности цилиндрического диэлектрического каркаса (не показан). Устройство содержит также генератор 7 гармонического напряжения, подключенный выходом к возбуждающей обмотке 5, фазовращатель 8 и электронный блок. Электронный блок состоит из последовательно соединенных компенсатора 9, усилителя 10, амплитудно-фазового детектора 11, подключенного опорным входом к выходу фазовращателя 8 блока 12 обработки сигнала и представления информации.
Магнитопровод 1 выполнен в виде цилиндра с Н-образным поперечным сечением. Секции 2.1 и 2.2 обмотки 2 состоят из витков, соосных с магнитопроводом 1, и размещены на его центральной части с осевым зазором. Вихретоковый преобразователь 4 размещен между секциями 2.1 и 2.2. Секции 5.1 и 5.2 возбуждающей обмотки 5 состоят, как показано на фиг. 2, из витков, каждый из которых образован двумя размещенными с осевым зазором С-образными проводниками, расположенными в плоскостях, перпендикулярных оси магнитопровода, и двумя размещенными между ними проводниками, параллельными оси магнитопровода. Секции 5.1 и 5.2 установлены с осевым зазором, в котором размещена измерительная обмотка 6. Секции 6.1-6.8 измерительной обмотки 6 выполнены в виде идентичных накладных катушек индуктивности, установленных друг за другом вдоль окружности и равномерно распределенных вдоль нее, при этом соседние секции измерительной обмотки 6 включены встречно. Схема размещения секций 6.1-6.8 относительно возбуждающей обмотки 6 приведена на фиг. 3, а на фиг. 4 показана электрическая схема соединения секций 6.1-6.4, размещенных внутри секции 5.1. Схема соединения секций 6.5-6.8 аналогична приведенной на фиг. 4.
Устройство работает следующим образом.
Магнитопровод 1 с вихретоковым преобразователем 4 перемещается вдоль контролируемой трубы, например, с помощью троса (не показан). Питаемая от генератора 7 переменного тока возбуждающая обмотка 5 вихретокового преобразователя 4 создает вихревые токи в контролируемой ферромагнитной трубе 13. Одновременно сканируемый участок трубы 13 намагничивается магнитным потоком, создаваемым намагничивающей системой. При этом напряженность Н намагничивающего поля задается с помощью регулируемого источника 3 постоянного тока. За счет намагничивания контролируемого участка происходит изменение магнитных свойств металла, что приводит к уменьшению влияния структурной неоднородности на возбуждаемые обмоткой 5 вихревые токи. При этом влияние структурной неоднородности ослабляется тем больше, чем ближе намагничиваемый металл трубы 13 к состоянию технического насыщения. Одновременно при намагничивании за счет уменьшения относительной магнитной проницаемости металла трубы увеличивается глубина проникновения вихревых токов, что позволяет при соответствующем выборе частоты создаваемого генератором 7 тока обеспечить требуемую чувствительность к дефектам 14.1-14.3, расположенным с внешней стороны стенки трубы.
3
Вихревые токи наводят в измерительных секциях 6.1-6.8 переменное напряжение. Измерительные секции 6.1-6.8 равномерно распределены по цилиндрической поверхности каркаса и соединены последовательно так, что каждая из секций включена с соседними дифференциально. За счет этого гармоническое напряжение  на внешних зажимах измерительной обмотки 6 будет нести информацию об изменении реакции вихревых токов при наличии дефекта, взаимодействующего с соответствующей секцией измерительной обмотки 6. При этом ни витки возбуждающей обмотки 5, ни витки измерительной обмотки 6 не охватывают магнитопровод 1, что обеспечивает большую стабильность выходного напряжения  и большую относительную чувствительность к дефектам. Это связано с тем, что магнитная связь между витками, охватывающими магнитопровод, пропорциональна его относительной магнитной проницаемости. В то же время, магнитная связь между витками, размещенными на поверхности магнитопровода, не может измениться более чем в два раза при изменении относительной магнитной проницаемости магнитопровода во всем возможном диапазоне изменения (от 1 до величины порядка 10). Таким образом, вариация свойств магнитопровода, например, при вариации температуры будет оказывать существенно меньшее влияние. Кроме того, начальное напряжение на измерительных секциях при данном способе их выполнения оказывается существенно меньшим, что определяет большую относительную чувствительность.
Напряжение на выходе измерительной обмотки 6 при размещении вихретокового преобразователя 4 в полости трубы 13 зависит от неидентичности секций 6.1-6.8 и от незначительного различия в их рабочем зазоре относительно поверхности трубы. Эта составляющая выходного напряжения исключается с помощью компенсатора 9. После этого сигнал усиливается усилителем 10 и поступает на информационный вход амплитудно-фазового детектора 11. В процессе перемещения вдоль трубы на величину  оказывает влияние как наличие дефектов, так и структурная неоднородность металла.
Если сигналы, связанные с влиянием дефектов, по амплитуде сопоставимы с влиянием шума, то регистрация сигналов от дефектов напрямую невозможна. Для повышения отношения сигнал/помеха до приемлемой величины в известных устройствах [1, 2] металл доводят до технического насыщения. Однако при уменьшении диаметра труб и увеличении толщины их стенки требуется все большая величина магнитного потока, вводимого в стенку трубы через магнитопровод 1. При этом во избежание магнитного насыщения металла магнитопровода 1 требуется все большее его поперечное сечение, ограниченное диаметром внутренней полости трубы. Таким образом, существуют ограничения, не позволяющие довести металл трубы до магнитного технического насыщения.
Выделение сигналов, связанных с влиянием дефектов на фоне шума, возможно с помощью амплитудно-фазового детектора при условии, что изменения  - связанные с воздействием дефектов, и  - связанные с влиянием шума за счет структурной неоднородности металла, различаются по фазе (по аргументам векторов  и ), не перекрывая друг друга.
тн
тн
0
0
ш
ш
Установлено, что фазовые углы между сигналами, связанными с влиянием дефектов и с влиянием структурной неоднородности металла, определяемой, например, технологией их изготовления, зависит от напряженности Н намагничивающего поля. На фиг. 6 на комплексной плоскости представлены полученные при сканировании трубы сигналы , связанные с влиянием дефектов и шума при величине Н=0,05Н, где Н - напряженность магнитного поля, требуемая для технического насыщения металла. При этом с помощью амплитудно-фазового детектора 11 выделить сигналы, связанные с дефектом не удается, что иллюстрируется диаграммой на фиг. 7 изменения сигнала  на выходе фазового детектора 11 при наиболее благоприятном значении фазы ϕ опорного напряжения, регулируемой фазовращателем 8. Наиболее благоприятна для подавления шума величина фазы ϕ=ϕ±90°, где ϕ - средняя величина фазы напряжения, создаваемого за счет шума.
тн
тн
0
0
Для обеспечения эффективного подавления шумовой составляющей сигнала, как установлено, имеется возможность изменения разности фаз между сигналами, связанными с влиянием дефектов и сигналами, связанными с влиянием структурной неоднородности металла, путем изменения напряженности Н. При этом условия, благоприятные для выделения сигнала от дефектов, наступают при величине Н<<Н. Из фиг. 8 следует, что при Н=0,2Нсигналы от дефектов и сигналы, связанные с шумовой составляющей, надежно разделяются. Это позволяет при соответствующем выборе фазы опорного напряжения с помощью фазовращателя 8 обеспечить эффективную отстройку от шумовой составляющей сигнала, что иллюстрируется на фиг. 9. Регулировка фазы и выбор необходимой величины Н осуществляется путем многократного сканирования контрольных образцов с дефектами из того же материала, что и контролируемая труба при одновременном изменении Н и ϕ и регистрации результатов с помощью блока 12. После настройки, заключающейся в выборе Н и ϕ, проводят дефектоскопию контролируемой трубы.
Заявляемое устройство, по сравнению с прототипом, обладает более высокой достоверностью контроля за счет подавления влияния мешающих факторов, связанных со структурной неоднородностью металла, в том случае, когда из-за малого внутреннего диаметра труб и большой толщины их стенки невозможно техническое насыщение металла. Следует отметить, что положительный эффект, связанный с уменьшением массы и габаритов магнитопровода, а также уменьшением мощности источника постоянного тока, имеет место и при контроле труб любого диаметра и толщины.
Источники информации
1. Полевода А.А. Разработка методов улучшения технических характеристик электромагнитных дефектоскопов и создание аппаратуры для поточного контроля труб и проката//Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. - М.: МНПО «Спектр». - 1999. - с. 15-16.
2. Электронный ресурс http://www.worldwide-inspection.com/index3%20Tube%20inspection.html (прототип).