УДК 620.179.16
НАМАГНИЧИВАЮЩАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЭМА-СКАНЕРА-ДЕФЕКТОСКОПА
Ю.Л. Гобов, А.В. Михайлов, Я.Г. Смородинский
Рассмотрены различные намагничивающие системы ЭМА-преобразователей, позволяющие повысить эффективность возбуждения и приема у.з. волн в металлах ЭМА-способом, и могут быть использованы в автоматизированных ЭМА-сканерах-дефектоскопах. Представлен метод создания больших полей с помощью намагничивающих систем из современных постоянных магнитов.
Ключевые слова: ультразвук, неразрушающий контроль, электромагнитно-акустическое преобразование, поверхностные волны Рэлея.
ВВЕДЕНИЕ
Методы и средства неразрушающего контроля находят широкое применение в промышленности. Неразрушающая диагностика применяется как для производственного сырья, так и изделий, находящихся в эксплуатации. В области нефтегазовой промышленности существует острая необходимость в определении технического состояния магистральных нефте- и газопроводов, протяженность которых в Российской Федерации на сегодняшний день достигла отметки в 220 тыс. км.
Для неразрушающего контроля магистральных нефте- и газопроводов используются не только ручные приборы, но и автоматизированные сканеры-дефектоскопы, позволяющие проводить высокоскоростной контроль как с внутренней (внутритрубные снаряды), так и внешней поверхностей магистрального трубопровода. Преимущественно в сканерах-дефектоскопах реализуется у.з. способ неразрушающего контроля. При этом возбуждение и прием у.з. волн в металлах может осуществляться либо контактным, либо бесконтактным электромагнитно-акустическим (ЭМА) способом [1]. Основными представителями группы сканеров для контроля с внешней поверхности магистрального трубопровода являются такие сканеры, как контактный у.з. сканер "Автокон-МГТУ", бесконтактные ЭМА-сканеры "А2075 SoNet", "ЭМА-МГТУ" [2, 3].
В последнее время именно бесконтактный ЭМА-способ возбуждения и приема у.з. волн в металлах привлекает к себе особое внимание, так как по достоверности и скорости контроля он не уступает контактному способу, но не требует при этом применения жидкости для обеспечения акустического контакта между преобразователем и поверхностью объекта контроля [4]. Однако масса ЭМА-сканера-дефектоскопа может превышать 50 кг в зависимости от конструкции сканера, механизма преобразования (магнитострик-ционного или электродинамического) и применяемой схемы сканирования (наличия одного или нескольких ЭМА-преобразователей). Эффективность ЭМА-преобразования напрямую зависит от величины подмагничивающе-го поля, создаваемого намагничивающей системой ЭМА-преобразователя. Для создания больших полей используют намагничивающие системы, представляющие собой массивные электромагниты, либо сборки из постоянных магнитов. Масса намагничивающей системы ЭМА-преобразователя вносит
Юрий Леонидович Гобов, канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник ИФМ УрО РАН. Тел. (343) 3783885. E-mail: go@imp.uran.ru
Алексей Вадимович Михайлов, младший научный сотрудник ИФМ УрО РАН. Тел. (343) 3783885.
Яков Гаврилович Смородинский, доктор техн. наук, профессор, заведующий отделом неразрушающего контроля ИФМ УрО РАН. Тел. (343) 3744490. E-mail: sm@imp.uran.ru
основной вклад в массу сканера-дефектоскопа. Поэтому целью данной статьи является рассмотрение оптимизации намагничивающей системы, а значит уменьшения массы ЭМА-сканеров при увеличении эффективности возбуждения и приема у.з. волн ЭМА-способом.
ПРИНЦИП БЕСКОНТАКТНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКОГО
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
Электромагнитно-акустическое преобразование — частичное превращение энергии электромагнитных колебаний в энергию акустических колебаний. Прямым ЭМА-преобразованием, как правило, называют преобразование электромагнитных волн в акустические, преобразование акустических волн в электромагнитные — обратным ЭМА-преобразованием.
При возбуждении и приеме у.з. волн ЭМА-способом возможны два механизма: магнитострикционный (рис. 1а) и электродинамический (рис. 1б). Эффективность того или иного механизма обусловлена выбором направления подмагничивающего поля. В частности, для магнитострикционного механизма необходимо тангенциальное к поверхности ферромагнитного объекта подмагничивающее поле, для электродинамического механизма к ферромагнетику необходимо приложить нормальное (ортогональное к поверхности объекта контроля) подмагничивающее поле.
а 1 б
Рис. 1. Механизмы ЭМА-преобразования: а — магнитострикционный; б — электродинамический; 1 — постоянный магнит; 2 — стенка трубы газопровода; 3 — катушка в форме меандра для возбуждения/приема у.з. волн; 4 — направление подмагничивающего поля; 5 — переменное магнитное поле, вызываемое катушкой 3; 6 — полюса
П-образного магнита.
Магнитострикционное ЭМА-преобразование использует изменение размеров тела при его намагничивании. Магнитострикционный эффект является обратимым, поэтому при удалении намагничивающего поля состояние материала ферромагнетика возвращается к исходному. Катушка, находящаяся вблизи поверхности магнитного объекта контроля, создает высокочастотное электромагнитное поле, которое, в свою очередь, создает локальные растяжения и сжатия магнитного материала, вызывая тем самым образование акустических колебаний в этом материале.
При ЭМА-преобразовании электродинамическим методом (рис. 1 б) катушка наводит в ферромагнетике вихревые токи, которые взаимодействуют с ортогональным к поверхности ферромагнетика подмагничивающим полем. Под действием сил Лоренца в материале ферромагнетика возникают локальные сдвиги, в результате которых образуется бегущая у.з. волна с частотой, равной частоте следования зондирующих импульсов в катушке.
Для эффективного ЭМА-преобразования необходимо использовать большие подмагничивающие поля. При этом достаточно намагнитить только скин-слой ферромагнетика, обусловленный высокочастотным электромагнитным полем, которое создается первичными ЭМА-преобразователями. Именно в скин-слое ферромагнетика происходит взаимное преобразование высокочастотных электромагнитных и акустических колебаний. Другими
4 Дефектоскопия, № 11, 2014
словами, эффективность ЭМА-преобразования зависит от намагничивающей системы и создаваемого ею магнитного поля в скин-слое материала. Эффективность ЭМА-преобразования от магнитной индукции в беспримесном железе приведена на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость эффективности двойного ЭМА-преобразования объемных волн от магнитной индукции в армко-железе на частоте 2,3 МГц: верхняя кривая — нормальное намагничивание, нижняя кривая - тангенциальное намагничивание [5].
Как видно из рисунка, максимум эффективности двойного ЭМА-преобразования при тангенциальном подмагничивании достигается при величине индукции подмагничивающего поля около 2 Тл, что соответствует напряженности магнитного поля ~300 А/см. При нормальном под-магничивании эффективность ЭМА-преобразования возрастает с ростом приложенного поля, а при индукции свыше ~1,2 Тл эффективность преобразования с нормальным подмагничиванием превосходит максимально возможную эффективность ЭМА-преобразования с тангенциальным под-магничиванием.
При преобразовании с тангенциальным намагничиванием необходимо учитывать толщину стенки ферромагнетика, так как магнитный поток "растекается" в глубь и в стороны ферромагнетика и необходимо довести до состояния технического насыщения всю толщину стенки трубы. В дальнейших рассуждениях ограничим толщину ферромагнетика значением 16 мм, что соответствует толщине стенки типового магистрального газопровода диаметром 1420 мм. Необходимо также учесть тот факт, что автоматизированные сканеры-дефектоскопы работают в основной своей массе на волнах Рэлея или Лэмба, а первичные ЭМА-преобразователи, представляющие собой катушки, намотанные в форме меандра, для этих мод у.з. волн имеют размеры порядка 40^40 мм. Поэтому величина рабочей области намагничивающих систем должна быть такого же размера. В дополнение нужно сказать, что подмагничивающее поле сильно зависит от зазора между намагничивающей системой и поверхностью ферромагнетика. При сканировании трубы намагничивающая система не должна касаться неровностей поверхности трубы, например швов. Кроме того, между поверхностью трубы и намагничивающей системой помещаются первичные ЭМА-преобразователи, а также часть несущей конструкции намагничивающей системы. Такой зазор должен составлять от 8 до 10 мм. Таким образом, оптимизированная намагничивающая система должна создавать большие поля при условии, что толщина ферромагнетика составляет 16 мм, величина рабочей области будет не меньше 40^40 мм, а зазор между намагничивающей системой и поверхностью ферромагнетика будет составлять 8—10 мм.
РАЗРАБОТКА НАМАГНИЧИВАЮЩИХ СИСТЕМ
Для создания подмагничивающих полей для бесконтактного возбуждения и приема ультразвука в металлах ЭМА-способом используют системы из электро- либо постоянных магнитов. Основной подход в построении таких систем заключается в увеличении магнитного потока, протекающего между намагничивающей системой и ферромагнетиком, и уменьшении магнитного потока, протекающего по воздуху. Наиболее эффективными считаются намагничивающие системы П- либо Ш-образной формы. Как показывает практика, такие намагничивающие системы способны создавать в материале трубопровода большие поля, необходимые для эффективного возбуждения и приема ультразвука ЭМА-способом, однако масса намагничивающей системы составляет при этом десятки килограммов.
Для того чтобы продемонстрировать возможности намагничивающей системы П-образной формы на трубе с толщиной стенки 16 мм, такая система была рассчитана в программной системе конечно-элементного анализа ANSYS. При этом геометрия и размеры намагничивающей системы были оптимизированы с целью минимизации ее массы при достижении оптимальных значений тангенциального и нормального подмагничивающих полей. На рис. 3 приведен внешний вид модели П-образной намагничивающей системы. Система состоит из двух полюсов, выполненных из современных постоянных магнитов, а также включает в себя ярмо из магнитомягкого материала (FeCo) (направления поляризации магнитов показаны стрелками).
Рис. 3. Внешний ви
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.