Общие вопросы неразрушающего контроля
УДК 620.179
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОБРАЗЦОВ ДЛЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
АД. Покровский, А.А. Хвостов
Для устранения погрешностей при выборе режимов вихретокового контроля, связанных с различием свойств калибровочного образца и объекта контроля, исследованы электрические и магнитные свойства сталей, необходимые для анализа положения годографов на бездефектных участках калибровочного образца и объекта контроля и внесения поправок на их ожидаемое изменение от влияния зазора для дефектных участков объекта контроля. Исследования проведены на образцах из сталей, имеющих различный химический состав, с набором искусственных дефектов известной величины. Оценка метода исследования проведена на образце-свидетеле из дюралюминия типа Д16. Представлены магнитные и электрические характеристики сталей, необходимые для расчета годографов сигналов проходных и накладных вихретоковых преобразователей и выбора режимов контроля.
Ключевые слова: вихретоковый контроль, проводимость, магнитная проницаемость, годограф, измерение, сталь.
Одна из основных задач вихретокового метода неразрушающего контроля состоит не только в обнаружении, но и определении размеров дефектов. В подавляющем большинстве случаев необходимые для выбора оптимальных режимов контроля свойства объекта неизвестны. В лучшем случае известна марка материала, что не всегда существенно меняет ситуацию, так как разброс составов между плавками бывает велик (например, для Ст3 он может достигать ±22 % [1]).
При вихретоковом контроле настройку проводят на калибровочном образце из материала, близкого по свойствам к материалу объекта контроля, и используют ее при переходе на объект контроля. При этом годографы сигналов от изменения зазора и величины дефекта отличаются от соответствующих годографов, полученных на калибровочном образце. Для устранения связанных с этим погрешностей следует измерить проводимость и магнитную проницаемость объекта и ввести поправки в годографы, снятые на калибровочном образце. В реальности удается только измерить толщину покрытия на объекте и снять годограф сигнала от изменения зазора на бездефектном участке поверхности объекта. Для компенсации различий свойств калибровочного образца и объекта контроля нужно вносить поправку на ожидаемое положение годографов влияния зазора для дефектных участков объекта контроля. Однако из-за разницы в свойствах материала калибровочного образца и объекта контроля положение этих годографов, полученных путем такого перехода, может сильно отличаться от реального, что приведет к большим погрешностям при определении величины дефекта.
В данной работе исследованы электрические и магнитные свойства некоторых сталей, необходимые для анализа положения годографов на бездефектных участках калибровочного образца и объекта контроля и внесения поправок на их ожидаемое изменение от влияния зазора для дефектных участков объекта контроля.
Цель исследования — разработка способа перехода от материала калибровочного образца к материалу объекта контроля.
Алексей Дмитриевич Покровский, доктор техн. наук, профессор ФГБОУ "НИУ "МЭИ". Тел. (495) 106-52-85. E-mail: pokrovskiy@gmail.com
Андрей Александрович Хвостов, аспирант ФГБОУ "НИУ "МЭИ". Тел. 8-985-787-2001. E-mail: andrey.khvostov@gmail.com
Для установления правил корректировки калибровочных годографов при переходе на объект контроля потребовалось определить удельную электрическую проводимость и магнитную проницаемость образцов.
Были изготовлены образцы из марок сталей, имеющих различный химический состав, с набором искусственных дефектов известной величины. Образцы для исследования выбирали достаточно большой длины (чтобы избежать краевого эффекта) и толщины, превосходящей глубину проникновения вихревых токов на используемых частотах, что позволяло рассмотреть образец как проводящее ферромагнитное полупространство. Пазы, имитирующие дефекты, выполнили небольшой глубины, с достаточно крупным шагом по глубине и по возможности меньшей ширины для более точной имитации естественных дефектов.
В результате была выбрана конструкция, показанная на рис. 1.
Рис. 1. Образец с искусственными дефектами.
Образцы были вырезаны из листовой стали различных марок, отшлифованы до необходимых размеров и на элекроэрозинном станке на каждом из них были нанесены по четыре паза с шагом 50 мм шириной 60 мкм и глубиной 0,25; 0,5; 0,75 и 1,0 мм.
Для нормализации свойств и размагничивания образцы подвергли гомогенизирующему отжигу в вакуумной печи в течение 8 ч с последующим медленным охлаждением в течение суток. Параллельно с образцами из ферромагнитных сталей был изготовлен образец-свидетель из дюралюминия типа Д16.
Исследования химического состава материала образцов методом спектрального анализа подтвердили, что материал образцов соответствует (согласно [1]) маркам сталей: 20, У9А, 15, Ст1пс, 60Г, 45.
Измерения удельной электрической проводимости проведены двух-зондовым методом, при котором через образец пропускают постоянный ток известной величины и измеряют падение напряжения на участке поверхности образца. Согласно [2], этот метод обеспечивает наибольшую точность.
В этом случае значение удельной электрической проводимости определяется как
I х I
а = —;—77' (1)
г х к х и
где а — удельная электрическая проводимость материала образца; I — расстояние между измерительными зондами; г — толщина образца; к — ширина образца; I — величина тока через образец; и — падение напряжения на участке поверхности образца, между измерительными зондами.
Источники погрешности при таком измерении можно разбить на три группы:
погрешности измерения электрических величин;
погрешности измерения геометрических величин; погрешности измерения, вызванные колебанием температуры образцов.
V
Рис. 2. Электрическая схема установки для измерения удельной электрической
проводимости образцов.
Электрическая схема и конструкция установки показаны на рис. 2 и 3.
В качестве источника постоянного напряжения использовали кислотный аккумулятор напряжением 12 В и емкостью 7,2 Ач, для измерения тока в цепи — многопредельный амперметр магнитоэлектрической системы типа М1104, класса точности 0,2, для измерения падения напряжения на поверхности образца между измерительными зондами — универсальный вольтметр типа В7-21.
Рис. 3. Конструкция установки для измерения удельной электрической проводимости образцов.
Для ограничения и стабилизации тока в цепь включены три параллельные галогеновые лампы мощностью 50 Вт и напряжением 12 В каждая. При этом эффект стабилизации тока достигается за счет положительного температурного коэффициента сопротивления спирали лампы накаливания, температура которой определяется протекающим током. Ключ служит для размыкания и замыкания цепи.
Основная цель конструктивного решения — обеспечить, по возможности, меньшее и как можно более стабильное переходное сопротивление между торцевой поверхностью образца и остальной электрической цепью. Эта цель достигнута за счет большого усилия прижатия контакт-
ных подушек из многожильного провода, выполненного из большого количества тонких медных проводников без изоляционного слоя, к торцам образца.
Провод был уложен в канавки на поверхности пластин из диэлектрического материала (клееный бамбук), которые стягивались с помощью двух шпилек и четырех "барашков".
Измерительные зонды выполнены на основе измерительных щупов от универсального прибора типа В830 путем их установки в отверстия в пластине из диэлектрика.
Расчет удельной электрической проводимости с использованием размеров образца возможен только в случае равномерного распределения плотности электрического тока во всем его объеме, так как только в этом случае падение напряжения на его поверхности будет иметь линейную зависимость от расстояния между измерительными зондами. Неравномерность плотности тока вблизи торцов образца определяется неполным прилеганием токовых электродов, непараллельностью плоскостей электродов плоскостям торцов образца, шероховатостью поверхности, наличием окисных пленок на поверхности металла и тому подобными причинами.
Результатами исследований [3] показано, что отмеченная неравномерность наблюдается только вблизи контактов и ее влияние может быть исключено за счет выбора участка поверхности образца, достаточно удаленного от его торцов, через которые подводится ток.
Для оценки влияния неравномерности был поставлен прямой эксперимент, когда один из зондов фиксировался в центре образца, а второй перемещался вблизи торца в направлении, перпендикулярном ожидаемому направлению протекания тока, то есть вдоль ожидаемых эквипотен-циалей.
Даже на расстоянии 2,5 мм от торца образца не удалось обнаружить отклонений падения напряжения, выходящих за погрешность измерения напряжения. Было принято решение утроить это значение расстояния от торца образца, исключив тем самым влияние неравномерности на результаты измерения.
Для измерения расстояния между измерительными зондами и ширины образцов использовали электронный штангенциркуль типа ШЦЦ-1 0200 [4], толщины образца — электронный микрометр типа МКЦ-25 0-25 со значением отсчета 0,001 мм, погрешностью ±0,002 мм [5], для измерения тока, протекающего через образец, — магнитоэлектрический амперметр типа М1104, класса точности 0,2.
Относительная основная погрешность измерения напряжения постоянного тока на выбранном пределе измерений (в процентах) равна
где 5 — погрешность измерения; 1К — выбранный предел измерений; 1Х — значение измеряемой величины.
Для измерения падения напряжения на поверхности образца использован вольтметр постоянного тока типа В7-21. Относительная основная погрешность измерения напряжения постоянного тока на пределе измерений 10 мВ (в процентах)
(\1 п
5 = ±0,2 х Ш
(2)
(^ I 1
5 = ± 0,06 + 0,03 х ^ -1 ,
где 5 — погрешность измерения; ик — выбранный предел измерений (10 мВ); их — значение измеряемой величины.
Связь удельной электрической проводимости с температурой в диапазоне комнатных температур может считаться линейной
а = Сто[1 + а(Т - То)],
где а — температурный коэффициент у
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.