СПОСОБ ИМПУЛЬСНОГО ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
PULSED EDDY CURRENT INSPECTION METHOD

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для идентификации дефектов в электропроводящих изделиях, например в оболочках тепловыделяющих элементов атомных реакторов.
1
2
1
2
Известен способ многопараметрового электромагнитного контроля («Использование узловых точек в многопараметровом электромагнитном контроле». Лаврентьев Б.В., Неразрушающий контроль свойств материалов и изделий в машиностроении. Ростов-на-дону, 1977, с.58-62), заключающийся в том, что дифференциальный вихретоковый преобразователь перемещают вдоль контролируемого изделия, возбуждая в изделии импульсные вихревые токи, на выходе преобразователя измеряют мгновенные значения импульса отклика, соответствующие определенным моментам времени, определяемым стробирующими импульсами заданной частоты, и определяют наличие дефекта по изменению амплитуды и формы полученных откликов выходного сигнала в различные моменты стробирования. Идентификация типа дефекта сводится при этом к поиску так называемой "узловой" точки, т.е. момента стробирования, когда изменение амплитуды сигнала на дефектном участке минимально. Для наружного дефекта таким моментом является время t, для внутреннего дефекта-время t. Для сквозного дефекта «узловых» точек в моменты времени t и t не наблюдается. Каждому типу дефекта соответствует определенное положение узловой точки на оси времени, иначе говоря, свой узловой режим.
Этот метод из-за погрешностей, связанных с дискретностью шага стробирования и влиянием фоновых факторов, не позволяет отличить очень глубокий, почти сквозной, наружный или внутренний дефект оболочки от сквозного дефекта. При контроле облученных твэлов эта разница особенно принципиальна, так как в первом случае твэл герметичен, а во втором - негерметичен и подлежит отбраковке.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Наиболее близким аналогом является способ вихретокового контроля (патент США №4954778, 16.02.1989), заключающийся в том, что информативный сигнал вихретокового преобразователя (ВТП) оцифровывают путем стробирования через равные промежутки времени. Определенным образом выбирают два момента стробирования t и t и по взаимно перпендикулярным осям откладывают значения соответствующих им амплитуд U и U сигнала ВТП. U и U определяют после вычитания постоянной составляющей отклика вихретокового преобразователя, определяемой в моменты времени t и t соответственно на бездефектном участке контрольного образца. В каждой точке сканирования будем иметь на полученной плоскости точку с координатами (U; U). Координату этой точки на бездефектном участке принимают за начало отсчета. При прохождении ВТП через дефектный участок точка (U; U) описывает фигуру в виде восьмерки, проходящую через начало координат, называемую годографом. По амплитуде в максимуме годографа и углу его наклона (поворота) судят о размере и типе дефекта соответственно. Чем глубже дефект, наружный или внутренний, тем положение его годографа ближе к положению годографа сквозного дефекта.
Этот способ контроля позволяет отличить глубокий внутренний дефект от сквозного дефекта. Внутренний дефект в отличие от сквозного дефекта не повреждает тонкий поверхностный слой оболочки твэла и траектория высокочастотной составляющей вихревых токов не искажается. Чувствительность прототипа достаточна, чтобы выявить эту разницу. Между глубоким наружным и сквозным дефектом прототип не дает такого же однозначного разделения. Оба дефекта изменяют траекторию всех составляющих вихревых токов. Имеющуюся все же разницу прототип не чувствует из-за незначительного (по сравнению с влиянием фоновых факторов) расхождения в углах поворота годографов ((±5°).
Углы наклона годографов глубокого наружного дефекта и сквозного дефекта настолько близки, что по этому параметру невозможно достоверно
определить тип дефекта. Следует отметить, что угол наклона годографа зависит также от геометрических размеров дефекта, что еще больше осложняет его идентификацию (чем больше диаметр сквозного отверстия, тем ближе положение его годографа к годографу неглубокого наружного дефекта).
Таким образом, вышеописанный способ не всегда идентифицирует дефекты в электропроводящих изделиях, что не допустимо при неразрушающем контроле оболочек тепловыделяющих элементов атомных реакторов.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение достоверности и информативности вихретоковой дефектоскопии цилиндрических изделий, например тепловыделяющих элементов ядерных реакторов.
Заявляемое техническое решение устраняет указанные недостатки и обеспечивает идентификацию как сквозного дефекта (независимо от его диаметра), приводящего к потере герметичности твэла ядерного реактора, так и очень глубокого (до 96% толщины оболочки) наружного. Наряду с отбраковкой дефектных твэлов при обращении с отработавшим топливом идентификация сквозных дефектов на фоне многочисленных внешних несквозных дефектов позволяет прецизионно отбирать образцы оболочек твэлов для дальнейших исследований.
2
Для достижения поставленной задачи в способе импульсного вихретокового контроля отображают мгновенные амплитуды выходного импульса проходного дифференциального преобразователя, измеренные в различные моменты времени, на двух взаимно перпендикулярных осях в виде кривой, выбирают часть кривой, которая формируется на участке между максимумом и минимумом сигнала от дефекта, определяют знак кривизны участка кривой в окрестности начала координат путем аппроксимации полиномом 2-ой степени вида ax+bx+c и по знаку коэффициента а судят о типе дефекта.
Знак коэффициента a для наружного дефекта - положителен, для сквозного дефекта - отрицателен. Оценка направления изгиба кривой (полугодографа) может производиться также путем вычисления его второй производной, но этот способ менее устойчив к воздействию шумовой составляющей сигнала.
m
m
1
2
Для системы автоматического распознавания дефектов используют мгновенные значения модуля амплитуды M и угла поворота φ радиус-вектора (U; U), рассчитываемых по формулам:
1
2
1
2
где U и U - значения амплитуды отклика от дефекта на стробах t и t.
В предлагаемом техническом решении идентификация дефекта основана на обнаруженной закономерности, заключающейся в том, что характер прохождения кривой через начало координат существенно отличается для разных типов дефектов, даже в случае их схожей топологии.
max
1
2
Координаты, соответствующие максимуму и минимуму сигнала от дефекта, вычисляют на стробе t (фиг.1). Сам полугодограф строят по стробам t и t, выбираемым экспериментально по критерию наилучшего разделения дефектов на типы (наружный, сквозной, внутренний).
При этом анализируют лишь ту часть кривой, которая формируется на участке между максимумом (точка А) и минимумом (точка В) сигнала от дефекта (фиг.2а). Этого вполне достаточно, чтобы оценить амплитуду годографа и угол его поворота (фиг.2б).
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
1
2
на фиг.1 изображен сигнал вихретокового преобразователя, стробируемый в определенные моменты времени t и t от начала импульса;
1
2
max
max
U и U - измеренные амплитуды сигнала; U - максимальная амплитуда сигнала, соответствующая времени t;
max
1
2
фиг.2 иллюстрирует формирование полугодографа дефекта; фиг.2a - типичный отклик от дефекта, полученный в момент стробирования t; А и В - координаты максимума и минимума отклика. фиг.2б полугодограф, построенный по стробам t и t на участке между координатами А и В;
на фиг.3 сопоставлены кривые со значениями углов поворота и для глубокого наружного (1) и сквозного (2) дефектов, нанесенных на экспериментальный образец, фиг.3а, 3б - прототип, фиг.3в - предлагаемое техническое решение;
2
фиг.4 иллюстрирует предлагаемый способ определения типа дефекта путем аппроксимации его полугодографа полиномом 2-ой степени вида ax+bx+c. Точки 1, 2, 3 - ближайшие три точки из окрестности начала координат, по которым вычисляется аппроксимирующая кривая;
фиг.5 демонстрирует невозможность уверенного разделения на типы глубокого наружного и сквозного дефектов.
фиг.6 демонстрирует возможности предлагаемого изобретения на примере наружного, глубокого наружного и сквозного дефектов путем вычисления модуля амплитуды (1) и угла поворота (2) радиус-векторов полугодографов указанных дефектов.
Сопоставление годографа прототипа со значениями углов поворота и полугодографа предлагаемого для глубокого наружного (1) и сквозного (2) дефектов, нанесенных на экспериментальный образец (фиг.3), иллюстрирует неэффективность метода годографов для разделения указанных дефектов. С другой стороны, из фиг.3в (предлагаемое техническое решение) следует, что у наружного дефекта изгиб полугодографа направлен по часовой стрелке, а у сквозного дефекта - в противоположном направлении. Это является простым и надежным признаком визуальной идентификации дефектов.
На трубку из циркониевого сплава Э-110 диаметром 9,1 мм с толщиной стенки 0,65 мм были нанесены три дефекта: наружная кольцевая риска глубиной ~0,1 мм, наружное глухое отверстие диаметром ~0,7 мм, глубиной ~0,62 мм и сквозное отверстие диаметром ~0,7 мм. Далее изготовленный образец перемещают через проходной вихретоковый преобразователь, который запитывают импульсами тока путем быстрой разрядки через него предварительно заряженного конденсатора, возбуждая тем самым импульсные вихревые токи в образце. На выходе преобразователя в каждой точке измерения образца получают импульс отклика, форма которого запоминается путем последовательной выборки и оцифровки его мгновенных значений, соответствующих моментам времени, определяемым стробирующими импульсами заданной частоты. Таким образом, при сканировании образца для каждого строба (т.е. момента стробирования от начала импульса отклика) формируется совокупность значений импульса (в единицах напряжения), каждое из которых соответствует определенной координате образца.
2
m
m
1
2
Из всего набора стробов для построения годографов выбрали два строба: 65 и 98, соответствующие моментам времени 2145 нс и 3234 нс (шаг стробирования 33 нс) от начала импульса отклика. Значения импульсов отклика на стробах 65 и 98 откладывали по взаимно перпендикулярным осям. На фиг.3а, б, в приведены полугодографы наружной кольцевой риски, наружного глухого и сквозного отверстий соответственно. Очевидно, что изгибы полугодографов двух наружных дефектов направлены в одну сторону, а изгиб полугодографа сквозного дефекта - в другую. Это подтверждается уравнениями вида ax+bx+c аппроксимирующих кривых, проведенных через точки 1, 2, 3. Знак коэффициента а для наружных дефектов - положителен (0,0693 - для кольцевой риски; 0,004 - для глухого отверстия), для сквозного дефекта - отрицателен (-0,0036). Отметим, что центральная точка 2 для наружных дефектов располагается в IV квадранте, а для сквозного дефекта - во II-ом квадранте. Этот факт используется при оценке типа дефекта путем вычисления мгновенных значений модуля амплитуды M и угла поворота φ радиус-вектора (U; U).
Для сравнения на фиг.5а, б, в приведены годографы, по прототипу, для кольцевой риски, наружного глухого и сквозного отверстий соответственно. Направления векторов, соединяющих начало координат, и максимумы годографов глубокого наружного и сквозного дефектов, близки и не дают однозначного разделения дефектов на типы.
m
m
По формулам (1) и (2) для радиус-векторов тех же дефектов были построены диаграммы (фиг.5) модуля амплитуды M (кривая 1) и угла поворота φ (кривая 2). Из анализа диаграмм наружного, глубокого наружного и сквозного дефектов следует, что в точке локального минимума модуля амплитуды радиус-вектора (точка пересечения полугодографом начала координат) угол поворота для наружных дефектов является отрицательным, а для сквозного дефекта - положительным.