УДК 620.179.14
ОЦЕНКА ГЛУБИНЫ ВЫЯВЛЕНИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ ТРЕЩИН МАГНИТОДИНАМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ В ДЕФЕКТОСКОПИИ
РЕЛЬСОВ
А.Г. Антипов, А.А. Марков
Рассмотрен важный показатель эффективности средств неразрушающего контроля рельсового пути на основе магнитодинамического метода — глубина выявления подповерхностных дефектов. Особую актуальность теме придает введение в эксплуатацию намагничивающих систем нового типа, обладающих увеличенным межполюсным расстоянием. Теоретический предел глубины выявления исследован при помощи численного моделирования. Представлены данные испытаний дефектоскопического комплекса с намагничивающей системой нового типа.
Ключевые слова: поперечная трещина, рельсовая дефектоскопия, магнитодинамический метод, метод рассеяния магнитного потока.
ВВЕДЕНИЕ
Исторически магнитный (магнитодинамический) метод исследования состояния рельсов, уложенных в железнодорожный путь, был первым, применявшимся в этой области дефектоскопии. Метод предполагает воздействие на рельс движущимися источниками постоянного магнитного поля (намагничивающей системой), что позволяет выявлять структурные аномалии внутри рельса по искажениям картины поля вблизи него. За рубежом данный способ выявления дефектов в ферромагнитных материалах хорошо известен под именем метода рассеяния магнитного потока (MFL) [1], однако применяется он преимущественно для оценки состояния трубопроводов различного назначения [2].
Первые опытные образцы дефектоскопов для обнаружения дефектов в рельсах появились еще в 30-x годах XX века. Значительный объем экспериментальных исследований и конструкторских разработок в послевоенные годы привел к освоению массового производства специализированных дефектоскопических комплексов — магнитных вагонов-дефектоскопов (МВД). В 1960—1985 гг. на железных дорогах СССР одновременно эксплуатировались более 100 подобных комплексов [3].
Дефектоскопические средства, основанные на магнитных методах контроля, обладают рядом положительных качеств [4]:
могут работать во всех климатических зонах при любых погодных условиях;
результаты контроля не зависят от загрязненности поверхности катания рельсов;
позволяют однозначно соотносить результаты контроля к реальному пути за счет фиксации полем рассеяния многих конструктивных элементов рельсового пути (скреплений, элементов стрелочных переводов, стыков и др);
имеют большую производительность контроля (3000—4000 км/месяц);
просты и надежны в эксплуатации.
Долгие годы МВД позволяли успешно решать задачи обеспечения безопасности движения поездов, выявляя опасные дефекты в рельсах до достижения ими критических размеров в самых неблагоприятных погодных усло-
Антипов Андрей Геннадьевич, канд. физ.-мат. наук, старший преподаватель, СПбГУ Тел. (812) 4284434. E-mail: a.antipov@phys.spbu.ru
Марков Анатолий Аркадиевич, доктор техн. наук, директор Научно-технического комплекса Систем неразрушающего контроля (НТК СНК) ОАО "Радиоавионика", Санкт-Петербург Тел. (812) 4578328. E-mail: amarkovspb@gmail.com
виях (метель, сильные морозы), когда все другие методы контроля становились малоэффективными [5].
Опыт использования магнитных вагонов-дефектоскопов выявил и их недостатки. Одним из конструктивных недостатков использовавшейся в МВД П-образной намагничивающей системы (см. рис. 1а) было наличие воздушного зазора между полюсами магнита и рельсом. Требования безопасной эксплуатации комплекса заставляли делать этот зазор весьма большим, что приводило к значительному ослаблению магнитного потока в рельсе. Вторым недостатком П-образной намагничивающей системы МВД являлось то, что межполюсное расстояние у нее составляло всего 80 см, что давало высокий уровень промагничивания рельса в статическом состоянии. Однако при движении на больших эксплуатационных скоростях (70—80 км/ч) за время прохождения намагничивающей системы над дефектным участком рельса магнитное поле не успевало проникать на достаточную глубину. Причина этого явления кроется в возрастании вихревых токов с увеличением скорости, препятствующих проникновению магнитного поля в глубь металла.
0,8 м
3,0 м
б
а
Рис. 1. Схемы намагничивающих систем вагонов-дефектоскопов: а — П-образная; б — на осях колесных пар.
Для преодоления указанных недостатков в начале 90-х годов были предложены два направления дальнейшего развития средств рельсовой дефектоскопии. Во-первых, было принято решение о постепенной замене устаревающих МВД совмещенными вагонами-дефектоскопами (СВД), в которых должны были быть реализованы как магнитные, так и у.з. методы контроля. Данное решение находится вполне в русле современных тенденций не-разрушающего контроля, свидетельствующих о том, что идеальных — универсальных, одинаково хорошо работающих при любых условиях — средств дефектоскопии не существует и для получения как можно более точной картины состояния объекта нужно использовать комплексные устройства, основанные на разных физических принципах. Во-вторых, была поставлена задача внести такие изменения в конструкцию намагничивающей системы, чтобы обеспечить глубокое промагничивание рельса на скоростях контроля вплоть до 80 км/ч и в перспективе — до 120 км/ч, что позволило бы выявлять дефекты, залегающие достаточно глубоко под поверхностью головки рельса, в сочетании с высокой скоростью движения вагона.
Специалистами ВНИИЖТа и ОАО "Радиоавионика" в рамках работ по созданию СВД с дефектоскопическим комплексом АВИКОН-03 [6] была разработана новая магнитная подсистема (рис. 1б). По сравнению со старыми комплексами намагничивающая система подверглась кардинальным изменениям: межполюсное расстояние было увеличено более чем в 3 раза, что позволило увеличить глубину промагничивания рельса на высоких скоростях. Вместе с тем столь существенное увеличение межполюсного рас-
стояния не привело к снижению величины магнитного потока в рельсе. Это было достигнуто за счет применения более эффективного способа инжекции магнитного поля. В отличие от дефектоскопов, использующих П-образную систему намагничивания, у СВД АВИКОН-ОЗ магнитный поток заходит в рельс через колеса дефектоскопической тележки (рис. 2). Благодаря этому сопротивление магнитной цепи уменьшилось и произошло перераспределение потока в пользу той составляющей, что поступает в рельс.
Рис. 2. Дефектоскопическая тележка СВД АВИКОН-3 с намагничивающей системой на осях
колесных пар:
1 — зоны максимальной инжекции магнитного потока в рельс; 2 — магнитный датчик.
Очевидно, что использование нового типа намагничивающей системы с увеличенным межполюсным расстоянием оказывает влияние на характер сигналов на магнитном канале. В меньшей степени это влияние сказывается на сигналах от дефектов, близких к поверхности, и в большей — на сигналах от глубоко заложенных дефектов: большая глубина промагничивания дает увеличение амплитуды последних. В связи с вышесказанным актуально определить те факторы, которые позволяют выявлять дефекты в сложившейся ситуации и, исходя из практических испытаний намагничивающей системы на осях колесных пар, установить новые пределы глубины обнаружения дефектов.
РАСЧЕТ МОДЕЛИ ПОПЕРЕЧНОЙ ТРЕЩИНЫ
Для успешного выявления дефекта магнитодинамическим методом требуется выполнить два условия: во-первых, намагничивающая система должна создать необходимый уровень поля в области неоднородности; во-вторых, величина возмущения, вызванного неоднородностью, должна быть достаточной для того, чтобы ее зафиксировали датчики, находящиеся вне изучаемого объекта.
Предположим, что за счет конструктивных особенностей намагничивающей системы — увеличения межполюсного расстояния — удалось добиться более длительного взаимодействия поля с исследуемым участком рельса и тем самым устранить негативное влияние вихревых токов, получив прак-
тически однородное распределение магнитного поля по поперечному сечению головки рельса, и в результате выполнить первое условие. Тогда на передний план выходит второе условие. Для его выполнения критическими являются уже не параметры намагничивающей системы, а геометрические характеристики взаимного расположения дефекта и датчиков. В силу особенностей эксплуатации датчики регистрирующей системы располагаются над поверхностью катания — верхней гранью рельса. Таким образом, основными критериями, определяющими возможность обнаружения дефекта, оказываются его размер и глубина залегания под поверхностью катания.
Для получения количественных оценок рассмотрим двумерную модель характерного дефекта — поперечной трещины головки рельса (рис. 3). Двумерность предполагает, что профиль трещины не меняется вдоль оси г. параллельной поверхности катания уг и перпендикулярной направляющей рельса х. При расчетах толщину трещины брали равной 1 мм, глубину
Рис. 3. Двумерная модель поперечной трещины.
залегания С изменяли в пределах от 0 (трещина с выходом на поверхность) до 17 мм, высоту трещины к — в пределах от 1 до 12 мм. На расстоянии от дефекта, большом по сравнению с С и к, поле считалось однородным по поперечному сечению рельса и имело только продольную составляющую, что нашло свое отражение при формулировании граничных условий. Относительно векторного потенциала магнитного поля А задача формулируется в виде
V ■ = 0,
м(х у )
что для единственной ненулевой компоненты Аг приводит к двумерному уравнению 2-го порядка в частных производных. Магнитную проницаемость ц(х, у) вне ферромагнитного материала брали тождественно равной ц0 = 4п ■ 10 7 Гн/м, а внутри она зависела от модуля индукции поля В = V ■ А согласно кривой намагничения В = цН (рис. 4). Уровень поля выбирали так, чтобы над бездефектным рельсом величина индукции поля составляла 1 мТл. Уравнение относительно Аг решали методом конечных разностей.
Результаты расчета при С = 10 мм и к = 10 мм приведены на рис. 5. На рис. 5а дано распределение модуля индукции вблизи дефекта как в рельсе, так и в воздухе. Там, где локализован дефект, над поверхностью ферромагнитного материала наблюдается зона повышенной по сравнению с имеющейся над бездефектным рельсом напряженности магнитного поля. Возникновение этой зоны связано с обтеканием магнитны
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.