Устройство намагничивания для средств неразрушающего контроля длинномерных изделий
MAGNETIZATION DEVICE FOR DEVICES FOR NONDESTRUCTIVE INSPECTION OF LONG ITEMS

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано для ручного, механизированного, автоматизированного или автоматического неразрушающего контроля железнодорожных рельсов, труб и другого проката.
Известен магнитный способ обнаружения дефектов на поверхности ферромагнитных материалов и изделий, в зарубежной литературе именуемый «MFL - Magnetic Flux Leakage». Способ заключается в подводе магнитного поля к объекту контроля и регистрации рассеяния (так называемых, «утечек») магнитного потока, обусловленного дефектом [1].
Устройства, базирующиеся на этом методе, включают электромагнит (или постоянный магнит), поле которого замыкается через объект контроля, и чувствительный элемент - катушку, или датчик Холла, или аналогичное устройство, позволяющие регистрировать утечки магнитного поля, обусловленные дефектами.
Возможность реализации заявляемого устройства рассмотрим на примере контроля железнодорожных рельсов.
Для автоматизированной дефектоскопии рельсового пути наряду с подвижными дефектоскопами типа вагонов и автомотрис дефектоскопных применяются легкие дефектоскопы, на базе тележек и велосипеда, приспособленных для движения по железнодорожному пути. В частности, в велодефектоскопе Карпова для намагничивания рельса используется катящееся по нему колесо, представляющее собой электромагнит или постоянный магнит, а искательная катушка, в которой индуцируется эдс при прохождении над дефектом, представляет собой катушку с небольшим П-образным сердечником, расположенным продольно над головкой рельса. Намагничивающее колесо Карпова имеет относительно простую конструкцию и создает поле, достаточное для обнаружения дефектов в рельсах легких типов. Такое намагничивающее устройство в отношении происходящих электромагнитных процессов может применяться при рабочих скоростях велодефектоскопов и даже и при больших скоростях.
Более совершенное устройство намагничивания рельса предложено в [2]. Известное устройство намагничивания рельса содержит полый корпус из немагнитного материала, выполненный в форме железнодорожного колеса, внутри которого установлен магнит в виде диска. Зазор между полюсами и головкой рельса обеспечивается за счет толщины стенок корпуса, выполненного из немагнитного материала. Зазор может быть также обеспечен за счет установки магнита в бронзовое кольцо и использования бронзового диска, устанавливаемого с внутренней стороны реборды. Устройство намагничивания рельса имеет относительно простую конструкцию и создает поле, достаточное для обнаружения дефектов в легких типах рельсов.
К недостаткам известного устройства следует отнести недостаточно высокую эффективность намагничивания рельса.
Наиболее близким к заявляемому, и принятым за прототип, является устройство намагничивания для средств неразрушающего контроля по патенту [3], содержащее полый корпус из немагнитного материала, выполненный в форме железнодорожного колеса, внутри которого соосно с ребордой колеса установлены два идентичных магнита в виде диска, магниты обращены друг к другу одноименными полюсами и образуют между собой равномерный зазор.
Устройство предназначено, как заявляет автор, для обнаружения дефектов по всему сечению рельса. Однако следует иметь в виду, что в годы применения велодефектоскопов Карпова на сети дорог СССР в основном использовались железнодорожные рельсы легкого типа IIA-IVA и Р33 с массой на погонный метр не более 33 кг, что и позволяло делать определенные попытки обнаружения дефектов по всему сечению рельса. Современные рельсы тип Р65 имеют массу 65 кг на погонный метр и высоту 180 мм. Поэтому одним из основных недостатков прототипа является невозможность применения их для контроля рельсов в современных условиях. Кроме того, наличие корпуса из немагнитного материала отдаляет магнитные полюса от контролируемого изделия и дополнительно снижает эффективность намагничивания, а значит, и достоверность обнаружения дефектов.
Целью изобретения является существенное повышение эффективности и достоверности обнаружения дефектов (в том числе продольной ориентации) в ферромагнитных длинномерных изделиях за счет повышения эффективности намагничивания изделия в зонах образования дефектов.
Указанная цель достигается тем, что в известном устройстве намагничивания для средств неразрушающего контроля длинномерных изделий, содержащем два идентичных магнита в виде дисков и диск с ребордой, установленных соосно, магниты обращены друг к другу одноименными полюсами, дополнительно между магнитами установлен магнитопровод в виде диска с возможностью качения по сканируемой поверхности контролируемого изделия, причем диаметр магнитопровода превышает диаметры дисковых магнитов, соосно с двумя магнитами и диска с ребордой с противоположной стороны устройства установлен второй идентичный диск с ребордой, все три диска выполнены из магнитомягкого материала, причем поверхности реборд, обращенные к боковым сторонам изделия, адаптированы к формам боковых поверхностей контролируемого изделия.
Существенными отличиями заявляемого устройства по сравнению с прототипом являются:
1. Наличие магнитопровода, размещенного между дисковыми магнитами, что позволяет пропускать через потенциально опасные с точки зрения дефектообразования участки изделия максимальный магнитный поток.
2. Отсутствие технологического зазора («корпуса из немагнитного материала») между магнитопроводом и сканируемой поверхностью контролируемого изделия повышает эффективность инжекции магнитного потока в изделие.
3. Выполнение диаметра магнитопровода больше диаметра магнитных дисков позволяет защитить магниты от механических воздействий при сканировании и создает пространство между устройством и поверхностью изделия для размещения магниточувствительных датчиков в зоне максимального уровня магнитного потока, вытесняемого дефектом.
4. Наличие второго диска с ребордой и использование его совместно с первым в качестве магнитопроводов устройства позволяет более полно и симметрично промагничивать зоны изделия, потенциально опасные с точки зрения появления эксплуатационных трещин.
5. Адаптация поверхностей реборд дисков, обращенных к боковым сторонам изделия, к формам боковых поверхностей контролируемого изделия позволяет дополнительно повысить намагниченность контролируемых сечений изделия.
Заявляемое устройство иллюстрируют следующие графические материалы:
Фиг. 1. Конструкция устройства намагничивания, где:
1. Контролируемое изделие (в качестве примера - головка железнодорожного рельса).
2 и 3. Постоянные магниты (или электромагниты) в виде дисков, обращенные друг к другу одноименными полюсами.
4. Магнитопровод центральный в виде диска, размещенный между магнитами.
5 и 6. Диски с ребордами, устанавливаемые соосно с магнитами и центральным магнитопроводом.
7. Трещина продольной ориентации в изделии 1.
8 и 9. Магниточувствительные датчики (индукционные или датчики Холла).
Фиг. 2 и 3. Схема (Фиг. 2) и результаты (Фиг. 3) математического моделирования распределения магнитных потоков в контролируемых зонах изделия (головки рельса) методом конечных элементов в программе ANSYS Maxwell.
Фиг. 4. Примеры использования заявляемого устройства при контроле: а - труб, в - прутков (стержней) и с - балок.
Устройство намагничивания для средств неразрушающего контроля длинномерных изделий (Фиг. 1) содержит два дисковых магнита 2 и 3, между которыми размещен центральный диск 4 из магнитомягкого материала. Магниты 2 и 3 обращены друг к другу одноименными полюсами. Для защиты хрупких магнитов 2 и 3 от повреждений при сканировании, диаметр диска 4 выполняется большим, чем диаметры дисковых магнитов. Появление зазора между поверхностью сканирования изделия 1 (в рассматриваемом примере реализации - головки рельса) и торцами дисков магнитов позволяет, при реализации способа контроля с помощью предлагаемого устройства, разместить в этих зазорах магниточувствительные датчики 7 и 8. К противоположным полюсам магнитных дисков 2 и 3 устанавливают диски 5 и 6 с ребордами, так же, как и центральный диск 4, выполненные из магнитомягкого материала. Полученная конструкция выполнена с возможностью вращения вокруг оси устройства.
Устройство намагничивания используют следующим образом.
Поскольку в рассматриваемом примере реализации устройство намагничивания выполнен в форме железнодорожного колеса, то его установка на мобильный дефектоскоп может осуществляться посредством известных средств, используемых для установки колес. При движении мобильного магнитного дефектоскопа с установленным на нем устройством, намагничивание рельса 1 производится катящимся по нему колесом с установленными в нем двумя магнитами 2 и 3, диски магнитов обращены друг к другу одноименными полюсами, между которыми установлен центральный магнитопровод 4. Наличие с 2-х сторон колеса дисковых магни-топроводов с ребордами 5 и 6 позволяет формировать на боковых сторонах головки рельса магнитные полюса, противоположные центральному. Указанное расположение магнитов позволяет осуществить распределение магнитных потоков (на Фиг. 1 показаны пунктирными линиями), при котором магнитный поток, создаваемый магнитами 2 и 3, проходит через соответствующую часть головки рельса в поперечном направлении. Как известно, основной зоной зарождения дефектов в рельсах является рабочая грань головки.
В современных условиях с целью экономии ресурсов после пропуска определенного тоннажа применяют практику переукладки рельсов со сменой рабочего канта (рабочей грани). В результате, появление дефектов равновероятно как с рабочей, так и с нерабочей грани головки. Причем, по данным ВНИИЖТа и по статистическим данным ОАО «РЖД», до 80% образующихся в процессе эксплуатации дефектов в голове рельсов - это продольные трещины, зарождающиеся с верхней грани головки и распространяющиеся в глубину металла.
При наезде устройства намагничивания на дефектное сечение с продольной трещиной 9 происходит вытеснение части магнитного потока на поверхность катания рельса 1 и фиксация его магниточувствительным датчиком 8 (и/или 7).
Достижению заявленной цели способствует также то, что за счет выполнения диаметра центрального магнитопровода 4 больше диаметров дисковых магнитов 2 и 3 (например, на 6 - 18 мм) магниточувствительные датчики 7 и 8 (индукционные или датчики Холла) устанавливаются с возможностью скольжения по поверхности катания в зоне фиксации сигналов максимальной амплитуды от дефекта, между магнитопроводами 6 и 4, а также 4 и 5.
Цель достигается также тем, что в качестве материалов для изготовления дисков 4, 5 и 6, выполняющих роль магнитопроводов, используются магнитомягкие материалы, например, низкоуглеродистая сталь (Ст. 3).
Цель достигается также за счет того, что в устройстве реборды дисков 5 и 6, обращенные к боковым поверхностям изделия 1, выполнены фигурными для максимального приближения полюсов магнитопроводов к поверхностям сканирования. Это дополнительно повышает эффективность промагничивания изделия.
Работоспособность указанных выше предложений проверена путем математического моделирования распределения магнитных потоков в контролируемых зонах изделия (головки рельса) методом конечных элементов в программе ANSYS Maxwell (Фиг. 2). Результаты моделирования (Фиг. 3) и последующая их экспериментальная проверка на рельсах типа Р 65 (наиболее распространенный тип рельса на сети дорог ОАО «РЖД») показывают, что заявляемое устройство обеспечивает создание магнитного потока (с индукцией до 1 Тл и более), достаточного для надежного выявления дефектов в верхней части головки рельса на глубине до 20 мм от поверхности катания. Причем наличие неизбежных в практике контроля зазоров между фигурными поверхностями дисков с ребордами 5 и 6 и поверхностью изношенного рельса 1 незначительно (не более чем на 10%) влияет на уровень инжектируемого в головку рельса магнитного потока.
Заявляемое устройство намагничивания для средств неразрушающего контроля может быть использовано не только для рельсов, но и при дефектоскопии многих длинномерных изделий (Фиг. 4): труб (Фиг. 4а), стержней и прутков (Фиг. 4б), буровых штанг, (Фиг. 4с) и др. из ферромагнитных материалов. Причем такие устройства намагничивания являются наиболее эффективными при поиске весьма часто встречающихся на практике продольных поверхностных и подповерхностных трещин.
Таким образом, заявляемое устройство может быть реализовано, обеспечивает повышение эффективности намагничивания изделия и способствует повышению достоверности обнаружения дефектов в ферромагнитных длинномерных изделиях.
Источники информации
1. J.C. Drury. Magnetic flux leakage technology. Available at: http://Avww.silverwinguk.com/ndt technical papers.aspx, (20/3/2019).
2. Сборник «Проблемы ферромагнетизма и магнитодинамики». М. 1946. Поливанов К.М. «Распределение магнитного потока в рельсе при его намагничивании катящимся электромагнитом, применяемым на влодефектоскопах системы Ф.М. Карпова», с 165-166.
3. Патент RU 2313782.