6. ВИХРЕТОКОВЫЙ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ И ТЕПЛОВОЙ ВИДЫ КОНТРОЛЯ

6.1. Вихретоковый вид контроля

Вихретоковый вид неразрушающего контроля основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимым в объекте контроля этими токами [1, 5, 6]. Параметры наведенного поля определяются геометрическими и электромагнитными характеристиками контролируемого объекта. Результаты этого взаимодействия зависят от величины и характера как внешнего, так и наведенного полей. Для создания внешнего электромагнитного поля чаще всего используют индуктивные катушки, через которые пропускают переменный ток соответствующей частоты. Устройство, состоящее из одной или нескольких индуктивных катушек, предназначенное для возбуждения в объекте контроля вихревых токов и преобразования зависящего от параметров объекта электромагнитного поля в электрический сигнал, называется вихретоковым преобразователем.

Вихревые токи возникают в электропроводящих телах под воздействием изменения внешнего магнитного поля, которое может происходить как за счет изменения магнитного потока во времени, так и в результате относительного перемещения электропроводящего тела и магнитного потока. Замыкаясь в электропроводящем теле, вихревые токи образуют электрические контуры, индуцирующие встречный магнитный поток, сцепляющийся с внешним магнитным полем. В результате взаимодействия этих встречных магнитных потоков происходит изменение ЭДС измерительной или полного электрического сопротивления возбуждающей индуктивных катушек преобразователя. Величины этих изменений, являющихся первичным информативным параметром, зависят от параметров объекта контроля, величины напряженности внешнего электромагнитного поля Ни и расстояния а до объекта контроля.

Токовихревой контроль основан на анализе изменения электромагнитного поля вихревых токов под действием тех или иных неоднородностей КО. Так как вихревые токи могут возбуждаться в электропроводящих материалах, этот метод контроля может быть использован для любых металлов.

85

Возбудителем вихревых токов может быть поле движущегося магнита, переменное поле тока в проводе, волна радиоизлучения. Чаще всего вблизи поверхности контролируемого изделия помещается возбуждающая вихревые токи катушка индуктивности с переменным током или комбинация нескольких катушек. В свою очередь электромагнитное поле вихревых токов воздействует на катушки преобразователя, наводя в них электродвижущую силу или изменяя их полное сопротивление. Сигнал может формироваться в той же обмотке, по которой идет возбуждающий ток, или же используется дополнительная катушка или катушки.

Для контроля все изделие или его часть помещают в поле датчи-

ка (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Линии напряженности магнитных полей H0, HВ и плотности вихревых токов д при контроле накладным (а) и проходным (б) датчиком

Вихревые токи возбуждают переменным магнитным потоком Ф. Информацию о свойствах изделия датчик получает через магнитный поток Ф, созданный вихревыми токами. Векторы напряженности возбуждающего поля Н и поля вихревых токов Н направлены навстречу друг другу; электродвижущая сила в обмотке датчика пропорциональна разности потоков Ф – Ф.

Регистрируя напряжение на катушке или ее сопротивление, можно получить сведения о контролируемом изделии. Напряжение и сопротивление катушки зависят от многих параметров, что обусловливает широкие возможности ТВК (дефектоскопия, толщинометрия, структурометрия, сортировка металла по маркам, контроль состояния поверхности и т.д.). С другой стороны, это обстоятельство затрудняет

86

разделение информации о различных параметрах объекта и требует использования специальных способов фильтрации шумов.

Для анализа изменения электромагнитного поля обычно используют активное и индуктивное сопротивление катушки, амплитуду напряжения, сдвиг фаз измеряемого и опорного напряжений. Глубина проникновения вихревых токов зависит от частоты электромагнитных колебаний, электрических и магнитных характеристик металла, формы катушки и поверхности изделия. Обычно она колеблется от долей миллиметра до 1–3 мм.

Чувствительность метода зависит от многих факторов – при благоприятных условиях удается выявить трещины глубиной 0,1–0,2 мм протяженностью 1–2 мм, расположенные на глубине до 1 мм.

ТВК можно проводить без контакта между катушкой и металлом, зазор может составлять от долей миллиметра до нескольких миллиметров. Это позволяет свободно перемещать преобразователь, что существенно для автоматизации процесса контроля. Выходной величиной ТВК является электрический сигнал, что позволяет автоматически регистрировать результаты контроля. Еще одно преимущество метода – возможность осуществления контроля с большой скоростью, соизмеримой со скоростью механической обработки КО.

Достоинствами вихретокового контроля являются сравнительная простота, высокая производительность и чувствительность. Для поверки чувствительности преобразователей и настройки аппаратуры контроля используют стандартные образцы с дефектами, разрабатываемые на каждый типоразмер контролируемых изделий и подвергаемые метрологической аттестации согласно ГОСТ 8.315–83. Важным достоинством вихретокового контроля является также то, что его можно проводить при отсутствии непосредственного контакта между преобразователем и объектом контроля [3]. Наличие изоляционных и лакокрасочных покрытий, толщина которых не превышает предельную величину, а также загрязнение поверхности проведению контроля не препятствуют.

Вихретоковый метод эффективно используют для контроля металлоконструкций технологического оборудования в зонах концентрации напряжений, в первую очередь в околошовных зонах сварных швов, а также для контроля валов, штоков, гильз и других подобных деталей, имеющих концентраторы напряжений в виде шпоночных пазов, галтелей, проточек, резьб и др. Вместе с тем этот метод не применяют для контроля самих сварных швов с неудаленным усилением,

87

поэтому при диагностировании сосудов и аппаратов нефтегазовой промышленности вихретоковый контроль целесообразно использовать в сочетании с ультразвуковым, радиационным или акустико– эмиссионным методами.

Преобразователи для ТВК. Токовихревой дефектоскоп состоит из генератора, преобразователя, усилителя, анализатора изменения поля (амплитудный или частотный детектор, фазочувствительный элемент) и индикатора [1].

Внастоящее время разработано большое количество различных конструкций преобразователей, которые принято классифицировать по следующим признакам:

• по типу преобразования параметров объекта контроля в выходной сигнал вихретокового преобразователя;

• по способу соединения катушек преобразователя;

• по расположению преобразователя относительно объекта контроля.

По первому признаку преобразователи разделяют на параметрические и трансформаторные. Параметрический преобразователь имеет лишь одну индуктивную возбуждающую катушку, активное и реактивное сопротивление которой зависит от параметров объекта и условий его контроля. Трансформаторный вихретоковый преобразователь содержит не менее двух индуктивно связанных катушек (возбуждающих и измерительных) и преобразует контролируемый параметр в ЭДС измерительной катушки.

По второму признаку вихретоковые преобразователи делят на абсолютные и дифференциальные. Абсолютным называют вихретоковый преобразователь, сигнал которого определяется абсолютным значением параметра объекта контроля, дифференциальным – сигнал которого определяется приращением параметра объекта контроля.

Взависимости от расположения относительно объекта контроля преобразователи разделяют на проходные, накладные и комбинированные. В свою очередь проходные разделяют на наружные, внутренние, погружные и экранные.

При диагностировании нефтегазового оборудования с применением вихретокового вида контроля обычно применяют накладные трансформаторные преобразователи карандашного типа. Схема кон-

троля с использованием таких преобразователей приведена на рис. 6.2. Вихревые токи в объекте контроля возбуждаются с помощью индуктивной катушки. Напряженность магнитного поля, созда-

88

ваемого индуктивной катушкой, составляет НИ, напряженность встречного магнитного поля, создаваемого вихревыми токами, – НВ. Результаты взаимодействия этих полей регистрируют с помощью измерительной катушки.

Рис. 6.2. Схема вихревого контроля:

1 – силовые линии; 2 – индуктивная катушка; 3 – измерительная катушка; 4 – контролируемый объект

В зависимости от заданного параметра контроля существуют различные схемные решения приборов и различные преобразователи. Преобразователи ТВК по рабочему положению относительно КО делят на накладные и проходные [3].

Накладные преобразователи представляют собой одну или несколько катушек, подводимых торцом к поверхности объекта (рис. 6.3, а). Их выполняют с ферритными сердечниками, повышающими чувствительность и локализирующими зону контроля, или без них. Электромагнитная волна от полезадающей системы распространяется в направлении КО (рис. 6.1, а). Накладные преобразователи применяют для контроля плоских поверхностей или для деталей сложной формы, а также в тех случаях, когда требуется обеспечить локальность контроля и высокую чувствительность.

Проходные преобразователи бывают наружные и внутренние (рис. 6.3, б). Электромагнитная волна от полезадающей системы в этом случае распространяется вдоль поверхности КО (рис. 6.1, б).

89

Проходные преобразователи применяются для линейно– протяженных изделий [2, 3] и охватывают КО, движущийся внутри катушки, либо движутся сами внутри объекта (например трубы). Проходные преобразователи менее чувствительны к локальным изменениям свойств КО. В зависимости от способа соединения обмоток преобразователя различают абсолютные (выходной сигнал определяется абсолютными параметрами КО и их изменением) и дифференциальные (выходной сигнал определяется разницей свойств двух рядом расположенных участков) датчики. Абсолютные датчики используют для контроля электропроводности и проницаемости материала, размеров, сплошности. Дифференциальные преобразователи более чувствительны, но для протяженных дефектов позволяют определить только начало и конец дефекта.

а

б

Рис. 6.3. Расположение накладных (а) и проходных (б) преобразователей: 1 – возбуждающая катушка;

2 – измерительная катушка

По электрическим свойствам сигнала различают параметрические и трансформаторные преобразователи. В первых сигналом служит приращение комплексного сопротивления, во вторых – приращение комплексного напряжения, возникающего в одной или нескольких измерительных обмотках. В первых датчиках сигнал формируется в той же обмотке, по которой идет возбуждающий ток. В трансформаторных датчиках измерительная обмотка может быть размещена на той же катушке (рис. 6.3) или на другой. Такие датчики имеют более высокую температурную стабильность. Параметрические датчики более просты конструктивно, частотный диапазон работы у них шире. Если измерительные датчики выполнены отдельно от полезадающих, то обычно они располагаются вблизи поверхности КО.

90