УСТРОЙСТВО УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ С РЕЗЬБОЙ

Полезная модель относится к области ультразвукового неразрушающего контроля и может быть использована для выявления дефектов типа нарушения сплошности металла цилиндрических изделий, а также нарушения сплошности и отклонения в геометрии профиля резьбы.
Из уровня техники известно устройство и способ неразрушающего контроля резьбы бурильных труб (Коротеев М.Ю., Соломенчук П.В. Неразрушающий контроль резьбы бурильных труб [Электронный ресурс] // Бурение и нефть. 2014. №04 URL: https://burneft.ru/archive/ issues/2014-04/10 (Дата обращения 21.05.2019), основанное на использовании вихретокового метода контроля с использованием тангенциального вихретокового преобразователя с обмотками, повторяющими форму впадины резьбы.
Недостатками известного устройства являются:
- невозможность выявления внутренних дефектов в деталях с резьбой;
- сложность контроля геометрии профиля резьбы;
- невозможность контроля объектов малых диаметров и с малыми размерами профиля резьбы в связи с невозможностью миниатюризации вихретоковых преобразователей;
- влияние на результаты локальных изменений магнитных и электрических свойств объекта контроля.
Наиболее близким техническим решением к заявленной полезной модели и выбранным в качестве прототипа признано устройство, реализующее эхоимпульсный метод контроля цилиндрических изделий с использованием бесконтактных электромагнитно-акустических (ЭМА) преобразователей (RU 130082U1, МПК G01N 29/04, опубл. 10.07.2013). Устройство ультразвукового контроля цилиндрических изделий содержит систему подмагничивания, совмещенный электромагнитно-акустический преобразователь с индуктивным контуром, соединенным с генератором зондирующих импульсов, усилитель, соединенный с регистратором, и схему обработки сигналов. Система подмагничивания выполнена в виде кольцевого намагничивающего элемента на основе постоянных магнитов или электромагнитов, индуктивный контур преобразователя - в виде проходной цилиндрической катушки индуктивности, расположенной внутри намагничивающего элемента, а схема обработки сигналов соединена с регистратором и выполнена в виде измерителя огибающей амплитуд многократных переотражений по диаметру изделия и/или измерителя времени прихода многократных переотражений по диаметру изделия.
Недостатками устройства-прототипа являются:
- недостаточная чувствительность электромагнитно-акустического преобразователя при возбуждении (приеме) волны на резьбовой поверхности;
- неравномерность возбуждения (приема) акустических волн на резьбовой поверхности, что снижает достоверность и воспроизводимость результатов контроля.
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является повышение чувствительности прибора.
Указанная задача решена тем, что устройство ультразвукового контроля цилиндрических изделий с резьбой содержит совмещенный электромагнитно-акустический преобразователь, включающий в себя узел подмагничивания, выполненный в виде кольцевого намагничивающего элемента на основе постоянных магнитов или электромагнитов, и индуктивный контур в виде проходной цилиндрической катушки индуктивности, расположенной внутри намагничивающего элемента и подключенной к генератору зондирующих импульсов. Отличает прибор от известных аналогов то, что катушка индуктивности уложена на цилиндрический каркас, представляющий собой ответную часть для цилиндрического объекта с резьбой, которая обеспечивает расположение витков индуктора строго над гребнем резьбы. К электромагнитно-акустическому преобразователю подключен усилитель, выход которого соединен с измерительным входом регистратора, снабженного узлом обработки сигналов в виде измерителя огибающей амплитуд многократных переотражений по диаметру изделия, дополненного анализатором спектра.
Технический результат, обеспечиваемый раскрытой выше совокупностью конструктивных признаков прибора, состоит в следующем. Расположение витков индуктора строго над гребнем резьбы за счет укладки катушки индуктивности на цилиндрический каркас, представляющий собой для цилиндрического объекта с резьбой ответную часть, обеспечивает повышение чувствительности прибора, что объясняется максимальной концентрацией вихревых токов, наводимых индуктором, и максимальной концентрацией магнитного поля, формируемого узлом подмагничивания в вершине гребня резьбы. Повышение чувствительности также обеспечивается применением усилителя и регистратора, снабженного узлом обработки сигналов и анализатором спектра.
Конструкция прибора поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана структурная схема устройства; на фиг. 2 приведена схема ЭМА-преобразователя; на фиг. 3 показаны результаты моделирования распределения вихревых токов на изделии с резьбой; на фиг. 4 приведены результаты моделирования распределения магнитного поля, формируемого узлом подмагничивания; на фиг. 5 приведена осциллограмма, полученная на изделии с резьбой в бездефектной области; на фиг. 6 приведена осциллограмма, полученная на изделии с резьбой в области с дефектом; на фиг. 7 показан дефект типа нарушения сплошности профиля резьбы; на фиг. 8 приведен спектр осциллограмм, полученных на изделии с резьбой в бездефектной области и в области с дефектом.
Устройство ультразвукового контроля цилиндрических изделий с резьбой имеет следующую конструкцию.
Его основой является совмещенный электромагнитно-акустический преобразователь 1, внутри намагничивающего элемента которого расположен индуктивный контур в виде проходной цилиндрической катушки индуктивности 2, уложенной на цилиндрический каркас 3 и подключенной к генератору зондирующих импульсов 4. К электромагнитно-акустическому преобразователю подключен усилитель 5, выполненный, например, на основе операционного усилителя, выход которого соединен с измерительным входом 6 регистратора 7, снабженного узлом обработки сигналов в виде измерителя огибающей амплитуд многократных переотражений по диаметру изделия, дополненного анализатором спектра.
Регистратор может быть выполнен на основе микроконтроллера, содержащего микропроцессорное ядро, построенное, например, на архитектуре STM8, соединенное с помощью системной шины с FLASH-памятью программ, SRAM-памятью данных, двенадцатиразрядным аналого-цифровым преобразователем, энергонезависимой электрически перепрограммируемой памятью EEPROM, универсальными восьмиразрядными двунаправленными портами ввода-вывода и универсальным синхронно-асинхронным приемопередатчиком USART. При этом к входу аналого-цифрового преобразователя подключен измерительный вход 6 регистратора 7, к первому порту ввода-вывода подключена кнопочная клавиатура, ко второму порту ввода-вывода подключен блок индикации (на фигурах условно не показаны), третий порт ввода-вывода через силовой выход 8, выполненный на основе транзисторных ключей, подключен к управляющему входу генератора зондирующих импульсов 4, а выход универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика USART может быть подключен к персональному компьютеру посредством интерфейса RS-232.
Устройство ультразвукового контроля цилиндрических изделий с резьбой работает следующим образом.
Первоначально прибор закрепляют на объекте контроля 9. Электрический импульс с генератора зондирующих импульсов 4 подают на совмещенный электромагнитно-акустический (ЭМА) преобразователь 1, излучающий поперечную акустическую волну. При этом в случае если к генератору 4 подключен силовой выход 8, форма и частота импульсов могут быть заданы программно непосредственно самим регистратором 7. Преимущественное излучение поперечной волны обеспечивается за счет ориентации поля подмагничивания по отношению к направлению вихревых токов за счет электродинамического механизма. Импульсы акустической волны, многократно переотраженной на профиле резьбы и по диаметру изделия регистрируются тем же ЭМА-преобразователем 1, с выхода которого сигналы поступают на усилитель 5 и далее на измерительный вход 6 регистратора 7. Узел обработки сигналов и анализатор спектра могут быть реализованы аппаратно-программным способом, например, на основе управляющей программы, хранящейся во FLASH-памяти программ и выполняемой микропроцессорным ядром микроконтроллера. Упомянутые узлы выполняют обработку сигналов, а их результаты могут быть отображены с помощью блока индикации, сохранены в электрически перепрограммируемой памяти EEPROM или переданы для дальнейшей обработки на персональный компьютер, который для этой цели предварительной подключают к универсальному синхронно-асинхронному приемопередатчику USART посредством интерфейса RS-232.
Результатом измерений являются осциллограммы серий импульсов многократных переотражений импульсов акустической волны на профиле резьбы и по диаметру изделия (фиг. 5 и 6). Каждый импульс на осциллограмме формируется в результате суперпозиции волн, излученных каждой точкой гребня резьбы и принятых радиально противоположной точкой и далее многократно переотраженных.
Благодаря отсутствию потерь на границе преобразователь-объект контроля за счет использования бесконтактного ЭМА-преобразователя и возможности подстройки частоты генератора зондирующих импульсов, обеспечивается возможность получения серий многократных отражений в изделии, что позволяет существенно повысить чувствительность контроля. При отсутствии в объекте контроля дефектов, амплитуда импульсов многократных переотражений плавно уменьшается по огибающей вследствие расхождения по закону цилиндрической волны и затухания за счет поглощения и рассеяния. Наличие в объекте контроля внутренних дефектов, а также дефектов, вызванных нарушением сплошности и отклонениями в геометрии профиля резьбы (фиг. 7], ведут к дополнительному резкому ослаблению серии многократных отражений волны (фиг. 6) вследствие отражения и трансформации поперечной волны на внутренних дефектах, уменьшения эффективности ЭМА-преобразования и искажении процесса реверберации на дефектах резьбы. При этом существенно изменяется спектральный состав серии импульсов многократных отражений (поз. 10 на фиг. 8 - дефект; поз. 11 на фиг. 8 - нет дефекта). Изменение амплитуд и смещение основных спектральных составляющих является дополнительным информативным параметром, позволяющим повысить чувствительность и достоверность результатов контроля.
Выявление дефектов по длине изделия осуществляется вращением объекта контроля 9 относительно ЭМА-преобразователя 1, или вращением ЭМА-преобразователя относительно объекта контроля, что обеспечивает их продольное взаимное перемещение.
Таким образом, рассмотренные выше особенности предлагаемого устройства обеспечивают повышение чувствительности прибора и возможность осуществления выборочного неразрушающего контроля цилиндрических изделий с резьбой. При этом кроме упомянутого выше технического результата, за счет расположения витков индуктора строго над гребнем резьбы, также повышается воспроизводимость результатов контроля, а выполнение регистратора на основе микроконтроллера и дополнение схемы обработки принятых акустических сигналов анализатором спектра позволяет повысить достоверность измерений.