СПОСОБ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ ВНУТРЕННЕГО ДИАМЕТРА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБ
METHOD FOR EDDY-CURRENT INSPECTION OF INNER DIAMETER OF METAL PIPES

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля металлических труб и может быть использовано для контроля их внутреннего диаметра.
5
Известен способ вихретокового контроля внутреннего диаметра металлических труб с помощью вихретокового преобразователя проходного типа [SU 1558172 А1, МПК  G01N 27/90, опубл. 15.12.1994], основанный на возбуждении на внутренней поверхности трубы переменным магнитным полем размещенного внутри контролируемой трубы проходного трансформаторного вихретокового преобразователя вихревых токов, измерении обусловленного этими токами вносимого напряжения вихретокового преобразователя и определении внутреннего диаметра трубы с использованием функциональной связи амплитуды вносимого напряжения вихретокового преобразователя и внутреннего диаметра контролируемой трубы.
Недостатком этого способа является зависимость результата измерения внутреннего диаметра трубы от радиального смещения обмоток вихретокового преобразователя относительно продольной оси трубы и отсутствие возможности отстройки от влияния этого фактора.
Известен способ вихретокового контроля внутренней поверхности ферромагнитных труб, реализуемый с использованием измерительного зонда, перемещаемого внутри трубы [US 5049817 А, МПК G01N 27/90, опубл. 17.09.1991] Зонд содержит два ряда распределенных по поверхности зонда плоских обмоток накладных вихретоковых преобразователей разного диаметра, работающих на разных частотах. Достоинством описанного способа вихретокового контроля является возможность при применении зонда для обнаружения дефектов отстройки от влияния на результаты контроля радиальных (поперечных) смещений зонда внутри трубы. Однако данный способ непригоден для измерения внутреннего диаметра контролируемой трубы.
2
Известен способ вихретокового контроля линейных размеров, реализованный в токовихревом устройстве для измерения линейных размеров [SU 524071 А, МПК  G01B 7/02, опубл. 05.08.1976], выбранный в качестве прототипа и основанный на измерении амплитуд вносимых напряжений двух расположенных соосно на фиксированном расстоянии один от другого взаимодействующих с объектом контроля накладных вихретоковых преобразователей, преобразовании двумя измерительными каналами измеренных сигналов в пару значений зазоров между вихретоковыми преобразователями и поверхностью объекта контроля, определении значения контролируемого параметра алгебраическим суммированием значений зазоров и расстояния между рабочими торцами вихретоковых преобразователей.
Недостатком известного способа является низкая достоверность контроля линейных размеров в случае криволинейной поверхности объекта контроля и наличия не только продольных смещений вихретоковых преобразователей вдоль их общей оси, но и поперечных смещений, как это имеет место в случае контроля внутреннего диаметра трубы. Указанные поперечные смещения при отличии формы поверхности объекта от плоской вызывают изменения амплитуд вносимых напряжений вихретоковых преобразователей и, соответственно, влияют на результат измерения контролируемого параметра.
Предлагаемое изобретение позволяет повысить достоверность контроля внутреннего диаметра металлических труб.
Согласно способу вихретокового контроля внутреннего диаметра металлических труб внутри трубы размещают две пары расположенных соосно на фиксированном расстоянии один от другого накладных вихретоковых преобразователей, причем общие оси каждой пары накладных вихретоковых преобразователей ортогональны друг другу. Измеряют амплитуды вносимых напряжений взаимодействующих с объектом контроля накладных вихретоковых преобразователей. Измеренные сигналы преобразуют в две пары значений зазоров между накладными вихретоковыми преобразователями и поверхностью объекта контроля. Определяют значения внутреннего диаметра трубы по оси каждой из ортогональных пар накладных вихретоковых преобразователей суммированием измеренных значений зазоров между внутренней поверхностью трубы и накладными вихретоковыми преобразователями этой пары, расстояния между рабочими торцами этих накладных вихретоковых преобразователей и значения поправки, являющейся функцией измеренных значений зазоров между внутренней поверхностью трубы и ортогональной парой накладных вихретоковых преобразователей, описываемой полиномом второй степени. Искомое значение контролируемого параметра находят как среднее арифметическое значений внутреннего диаметра трубы по ортогональным осям.
Основное отличие, обеспечивающее технический результат: корректировка результата измерения внутреннего диаметра на значение поправки, являющейся функцией поперечного смещения общей оси вихретоковых преобразователей, что минимизирует зависимость результата измерения внутреннего диаметра от любых радиальных смещений вихретоковых преобразователей в широком диапазоне их изменений.
На фиг. 1 показана структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
На фиг. 2 показано взаимное расположение накладных вихретоковых преобразователей в контролируемой трубе.
На фиг. 3 изображен вид функции обратного преобразования относительного значения амплитуды А вносимого напряжения накладного вихретокового преобразователя в значение зазора h.
y
На фиг. 4 изображен вид зависимостей измеренного значения внутреннего диаметра трубы D по оси у от поперечного смещения Δх вихретоковых преобразователей при отсутствии (пунктирная линия) и наличии (сплошная линия) корректирующей поправки в программе вычислительного преобразования.
Устройство (фиг. 1), реализующее способ вихретокового контроля внутреннего диаметра металлических труб содержит генератор высокочастотного гармонического сигнала 1 (Г1), первый 2 (ВТП1), второй 3 (ВТП2), третий 4 (ВТП3) и четвертый 5 (ВТП4) накладные вихретоковые преобразователи, первый 6 (ИК1), второй 7 (ИК2), третий 8 (ИК3) и четвертый 9 (ИК4) измерительные каналы, вычислительный блок 10 (ВБ), блок индикации 11 (БИ).
Выход генератора высокочастотного гармонического сигнала 1 (Г1) соединен со входами первого 2 (ВТП1), второго 3 (ВТП2), третьего 4 (ВТП3) и четвертого 5 (ВТП4) накладного вихретокового преобразователя, выходы которых соответственно соединены со входами первого 6 (ИК1), второго7 (ИК2), третьего 8 (ИК3) и четвертого 9 (ИК4) измерительных каналов. Выходы измерительных каналов 6 (ИК1) - 9 (ИК4) соединены каждый с отдельным входом вычислительного блока 10 (ВБ). Выход вычислительного блока 10 (ВБ) соединен со входом блока индикации 11 (БИ).
В качестве накладных вихретоковых преобразователей 2 (ВТП1), 3 (ВТП2), 4 (ВТП3) и 5 (ВТП4), измерительных каналов 6 (ИК1), 7 (ИК2), 8 (ИК3) и 9 (ИК4), блока индикации 11 (БИ) могут быть использованы, например, те же устройства, что и в изобретении-прототипе.
Накладные вихретоковые преобразователи 2 (ВТП1) - 5 (ВТП4) объединены в единую конструкцию (измерительный зонд), обеспечивающую расположение на фиксированном расстоянии и ортогональность общих осей пар накладных вихретоковых преобразователей 2 (ВТП1), 3 (ВТП2) и 4 (ВТП3), 5 ВТП4).
На фиг. 2 показано расположение измерительного зонда 12 внутри контролируемой трубы 13. Общие оси пар накладных преобразователей обозначены х и у.
2
3
4
5
При осуществлении контроля возбуждающими магнитными полями накладных вихретоковых преобразователей 2(ВТП1) - 5 (ВТП4), подключенных входами к выходу генератора высокочастотного гармонического сигнала 1 (Г1), создаются вихревые токи в поверхностном слое внутренней поверхности контролируемой трубы 13. Магнитные поля вихревых токов создают на выходах накладных вихретоковых преобразователей 2 (ВТП1) - 5 (ВТП4) вносимые напряжения. Амплитуды этих вносимых напряжений преобразуются четырьмя измерительными каналами 6 (ИК1) - 9 (ИК4) в значения зазоров h, h, h, h между рабочими торцами вихретоковых преобразователей и поверхностью трубы 13 (фиг. 2). Каждый измерительный канал аналогично устройству, реализующему способ-прототип, имеет в своем составе компенсатор начального напряжения, усилитель, амплитудный детектор и линеаризатор.
Характер зависимости выходного сигнала измерительного канала h от амплитуды А вносимого напряжения (функция обратного преобразования относительного значения амплитуды вносимого напряжения в значение зазора) показан на фиг. 3. Данная функция описывается логарифмической зависимостью:
где k - коэффициент, зависящий от конструктивных параметров вихретокового преобразователя;
0
А - значение амплитуды при h=0.
2
3
4
5
x
y
Выходные сигналы измерительных каналов 6 (ИК1) - 9 (ИК4), являющиеся результатами измерений зазоров h, h, h, h, преобразуются вычислительным блоком 10 (ВБ) в значение диаметра трубы. Для этого программой вычислительного преобразования предусмотрено определение двух значений диаметра D и D соответственно по осям зонда x и у:
x
4
5
y
D=h+h+d+P;
y
2
3
x
D=h+h+d+P,
где d - диаметр зонда (расстояние между рабочими торцами пар накладных вихретоковых преобразователей);
у
х
Р и Р - значения поправок, обеспечивающих отстройку от влияния на результат контроля радиальных смещений зонда соответственно по осям у их.
у
х
Величины Р и Р являются функциями измеренных значений зазоров между внутренней поверхностью трубы и ортогональной парой накладных вихретоковых преобразователей, описываемыми полиномами второй степени:
где а, b и с - экспериментально определяемые коэффициенты, зависящие от конструктивных параметров накладных вихретоковых преобразователей;
у
x
ε и ε - величины, характеризующие радиальные смещения общих осей пар соосных накладных вихретоковых преобразователей в поперечном направлении:
x
y
Искомое значение внутреннего диаметра трубы вычисляется как среднее арифметическое значений величин D и D.
Блоком индикации 11 (БИ) осуществляется индикация результата контроля.
y
На фиг. 4 показаны зависимости измеренного значения внутреннего диаметра трубы D по оси у от поперечного смещения Δх вихретоковых преобразователей при отсутствии (пунктирная линия) и наличии (сплошная линия) корректирующей поправки в программе вычислительного преобразования. Здесь показан случай, когда смещение зонда относительно центра трубы по оси у отсутствует, а радиальное смещение по ортогональной оси x изменяется в диапазоне  Анализ этих зависимостей показывает, что введение поправки в результат измерения диаметра в зависимости от поперечного смещения измерительного зонда практически исключает зависимость результата измерения от смещения, которая имеет место при отсутствии данной отстройки.
Эффективность использования предлагаемого способа вихретокового контроля металлических труб в условиях значительных радиальных смещений измерительного зонда внутри контролируемой трубы была подтверждена результатами лабораторных испытаний опытного образца устройства при контроле внутреннего диаметра труб теплообменников из ферромагнитной и аустенитной сталей с внутренним диаметром 28,2 мм и диаметре измерительного зонда 17,3 мм. При осуществлении контроля имитировались радиальные смещения зонда во всевозможных направлениях. Результаты испытаний опытного образца устройства показали, что при использовании предлагаемого способа контроля в указанном диапазоне изменений влияющих параметров абсолютная погрешность измерения внутреннего диаметра не превышает 0,35 мм. При уменьшении разницы значений внутреннего диаметра трубы и диаметра зонда указанная погрешность может быть кратно уменьшена. Без использования отстройки от влияния радиальных смещений погрешность измерения возрастает в 5 раз.