Исследование сигнала вихретокового дефектоскопа при намагничивании стальных изделий постоянным магнитным полем

Р.В. Загидулин (БашГУ, Уфа),

А.С. Бакунов, А.Е. Шубочкин (ЗАО "НИИИН МНПО "СПЕКТР", Москва)

В.Ф.Мужицкий

Вихретоковые дефектоскопы ВД-12НФМ и ВД-12НФП широко используются для выявления поверхностных дефектов сплошности типа трещин при контроле стальных изделий и материалов. Электромагнитный контроль стальных изделий с помощью этих дефектоскопов при одновременном намагничивании постоянным магнитным полем показывает существенное увеличение сигнала от поверхностных дефектов и уверенное выявление внутренних дефектов сплошности.

Экспериментальные исследования показывают, что существуют определенные зависимости между напряженностью магнитного поля и амплитудой сигнала от дефекта сплошности, указывающие на наличие оптимальных условий контроля.

Магнитное поле внутри стального изделия с дефектами сплошности превращает приграничную поверхность материала в магнитно-неоднородную область, которую чувствует вихретоковый преобразователь (ВТП) электромагнитного дефектоскопа. В большинстве исследований, посвященных электромагнитной дефектоскопии стальных изделий и материалов, вопрос влияния магнитной неоднородности материала на сигнал от дефекта сплошности не рассматривался.

В связи с этим следует исследовать как экспериментально, так и теоретически, формирование сигнала вихретокового дефектоскопа над стальным объектом с дефектом сплошности при намагничивании его постоянным магнитным полем.

         Аналитическое выражение для плотности вихревого тока в металле,

создаваемого магнитным полем накладного ВТП можно записать в следующем виде [1]:

,              (1)

где μ_а – абсолютная магнитная проницаемость, σ – удельная электропроводность металла, M_n – намагниченность полюса сердечника ВТП, ω – частота изменения магнитного поля, Фz(x,y,z) - топографический фактор для z – составляющей напряженности магнитного поля на полюсе сердечника ВТП [2].

В работе [3] предложена функциональная интерполяция коэффициента нелинейности ферромагнитного материала, на основе которой получено аналитическое выражение для величины относительной магнитной проницаемости металла, которая удовлетворительно описывает зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля на всем диапазоне его изменения: от слабых магнитных полей до поля магнитного насыщения:

                            ,           (2)

где a_1i, b_1i - коэффициенты интерполяции, N - количество интерполирующих функций. Для наилучшей интерполяции относительной магнитной проницаемости металла в диапазоне магнитных полей от 0 до 200 А/см оказалось достаточным не более 6 - 8 функций.

Используем универсальную дипольную модель дефекта сплошности в виде прямоугольной трещины, расположенной в плоской пластине конечной толщины, меняя глубину залегания которой можно моделировать как поверхностный, так и внутренний дефект (рис.1).

На рис.1 приняты следующие обозначения: h₁, h₂ - параметры боковых граней дефекта (координаты), 2b – ширина дефекта, d – толщина стальной пластины, Н_о – напряженность внешнего постоянного магнитного поля.

где переменная w = x + i z, (i² = -1), f(w)  – комплексное магнитное поле в линейной среде, Н(w) – комплексное магнитное поле в нелинейной среде, Н_о – магнитное поле стороннего источника.

В вещественном виде х – и z – составляющие магнитного поля равны:

                                   (4)

  Рис.1. Дефект сплошности типа трещины в плоской пластине

Комплексное магнитное поле в линейной среде с дефектом сплошности (с учетом внешнего магнитного поля Н_о) имеет вид:

(5)

где TF(w) – функция от параметров дефекта и координаты точки измерения, σ1 – плотность поверхностных зарядов на гранях дефекта сплошности в пластине:      

.                                (6)

На рис.2 а) показано распределение магнитного поля на поверхности стальной пластины с внутренним дефектом сплошности, рассчитанное по формулам (3) – (6) для нелинейной модели, и по формулам (5) – (6) – для линейной модели дефекта, без учета нелинейности магнитных свойств материала (μ = const)..

Видно, что напряженность магнитного поля внутри металла, полученная с учетом нелинейности магнитных свойств среды, больше соответствующего значения магнитного поля дефекта для линейной среды.

На рис.2 б) показано распределение относительной магнитной проницаемости металла около граничной поверхности стальной пластины с дефектом сплошности, из которого видно, что действительно, граничная область поверхности пластины превращается в магнитно-неоднородную область: величина относительной магнитной проницаемости в области над дефектом монотонно изменяется, принимая минимальное значение над дефектом сплошности.

Изменение величины магнитной проницаемости металла над дефектом сплошности будет чувствовать ВТП вихретокового дефектоскопа, несмотря на то, что дефект сплошности является внутренним и не выходит на поверхность стального изделия.

Следует заметить, что в переменном магнитном поле относительная магнитная проницаемость металла является комплексной величиной, что связано с магнитной вязкостью среды и потерями на перемагничивание металла [4, 5]. Поэтому в общем случае для расчета плотности вихревых токов в формуле (1) должна применяться комплексная магнитная проницаемость металла, которая влияет не только на амплитуду, но и на фазу вихревого тока [6].

Рис.2. Распределение напряженности магнитного поля (а) и относительной магнитной проницаемости (б) около поверхности стальной пластины с внутренним дефектом сплошности

1 – линейная модель, 2 – нелинейная модель дефекта

d = 10 мм, h₁ = 2 мм, h = 8 мм, 2b = 1 мм, Но = 100 А/см, материал – Ст. 3

В случае намагничивания стального изделия постоянным магнитным полем, изменение величины магнитной проницаемости металла, вызванное переменным магнитным полем накладного ВТП дефектоскопа сравнительно мало, вследствие чего можно предположить, что оно будет оказывать существенное влияние лишь на амплитуду плотности вихревого тока и слабо влиять на его фазу.

Поэтому при расчете распределения плотности вихревого тока на стальной пластине с дефектом сплошности в аналитическом выражении (1) можно использовать значение относительной магнитной проницаемости материала, полученное по формулам (2) – (6).

На рис.3 показано, полученное по формулам (1) – (6) распределение плотности вихревых токов на поверхности стальной пластины с внутренним дефектом сплошности при смещении ВТП относительно дефекта сплошности.

Видно, что магнитная неоднородность металла на поверхности стальной пластины с дефектом сплошности приводит к изменению амплитуды и формы распределения плотности вихревых токов. Над дефектом сплошности распределение плотности вихревых токов является симметричным по форме и имеет минимальное значение амплитуды (в нелинейной среде амплитуда плотности вихревых токов меньше соответствующего значения для линейной среды).

При смещении ВТП относительно дефекта сплошности симметричность формы распределения плотности вихревых токов нарушается, особенно сильно в области наибольшего изменения величины магнитной проницаемости металла (рис.2, 3) и происходит увеличение амплитуды вихревых токов. В области неоднородности величины магнитной проницаемости металла разница между амплитудами максимумов в распределении плотности вихревого тока может составить более 100%.

При значительном удалении ВТП от дефекта сплошности наблюдается восстановление симметрии в распределении плотности вихревых токов и уменьшение разницы амплитуд плотности вихревого тока в металле для случая линейной и нелинейной модели дефекта.

На основе формулы (1) было исследовано изменение величины максимума в

Рис.3. Распределение плотности вихревых токов на поверхности стальной пластины с внутренним дефектом сплошности, индуцируемых накладным ВТП

а) – смещение ВТП относительно внутреннего дефекта х₁ = 0 мм, б) х₁ = 5 мм, в) х₁ = - 10 мм (см. рис. 1)

1 – линейная модель, 2 – нелинейная модель дефекта

d = 10 мм, h₁ = 2 мм, h = 8 мм, 2b = 1 мм, Н_о = 100 А/см, материал - Ст 3.

распределении плотности вихревых токов в металле с изменением напряженности магнитного поля и геометрических параметров дефекта сплошности (рис.4, 5).

Увеличение напряженности магнитного поля в стальной пластине приводит к монотонному уменьшению амплитуды j_m плотности вихревых токов в металле (рис.4). Интенсивное уменьшение амплитуды j_m плотности вихревых токов происходит с увеличением глубины h = h₂ - h₁ внутреннего дефекта сплошности

Рис.4. Зависимость амплитуды плотности вихревых токов от напряженности магнитного поля в стальной пластине  

d = 10 мм, материал – Ст. 3

Рис.5. Зависимость амплитуды плотности вихревых токов от глубины внутреннего дефекта

2b = 1 мм, d = 10 мм, материал – Ст. 3

Рис.6. Зависимость отношения j_m (0)/j_m (∞) от относительного параметра h/d

Н_о = 40 – 80 А/см, материал – Ст.3

(рис.5). Численные расчеты показали, что отношение амплитуд плотности вихревых токов в дефектной j_m (0) и бездефектной области металла j_m (∞) слабо зависит от напряженности магнитного поля и зависит от соотношения глубины внутреннего дефекта и толщины стальной пластины h/d (рис.6).

Видно, что с увеличением относительного параметра h/d, отношение амплитуд плотности вихревого тока в дефектной и бездефектной области j_m (0)/j_m (∞) монотонно уменьшается по закону, близкому к линейному.

Для экспериментального исследования сигнала вихретокового дефектоскопа при намагничивании стального изделия постоянным магнитным

Рис.7. Общий вид экспериментального оборудования

Рис. 8. Зависимость сигнала от поверхностного (а) и внутреннего дефекта сплошности (б) в стальной пластине от напряженности магнитного поля

2b = 0.9 мм, z = 0.5 мм, d = 8 мм, материал – Сталь 10

полем была использована установка, показанная на рис.7, которая состоит из электромагнита постоянного тока с источником питания, вихретокового дефектоскопа ВД–12НФП, инфракрасного порта и персонального компьютера с соответствующим программным обеспечением (на рисунке не показан). Электромагнит постоянного тока способен перемещаться по поверхности контроля и имеет приспособление для жесткого крепления вихретокового преобразователя накладного типа.

На рис.8 показаны экспериментально полученные зависимости амплитуды сигнала вихретокового дефектоскопа ВД–12НФП над дефектами сплошности в стальной пластине от напряженности магнитного поля, создаваемого П - образным электромагнитом постоянного тока.

Видно, что увеличение напряженности постоянного магнитного поля в стальном изделии приводит к монотонному увеличению сигнала дефектоскопа от дефектов сплошности. При этом происходит увеличение чувствительности ВТП к поверхностным дефектам, и начинают уверенно выявляться внутренние дефекты сплошности.

Таким образом, намагничивание контролируемых стальных изделий постоянным магнитным полем приводит к существенному расширению функциональных возможностей электромагнитного дефектоскопа, в первую очередь к увеличению чувствительности вихретокового дефектоскопа к дефектам сплошности в стальных изделиях. Кроме того, проводя несколько измерений при разных значениях напряженности магнитного поля, возможно оценить местоположения дефектов сплошности по глубине их залегания, а затем, при известной глубине, оценить величину дефекта.

Литература

1. Загидулин Р.В., Мужицкий В.Ф., Ефимов А.Г., Загидулин Т.Р., Шубочкин А.Е. Исследование влияния продуктов коррозии магистрального нефтепродуктопровода на сигнал вихретокового дефектоскопа ВД-12НФП. – Контроль. Диагностика, 2007, №9, с. 42-46.

2. Загидулин Р.В., Мужицкий В.Ф., Исаев Д.А. Динамическая модель дефекта сплошности при нормальном намагничивании ферромагнитного изделия. Часть 1.– Дефектоскопия, 2006, №10, с. 17-23.

3. Загидулин Р.В. К расчету магнитного поля дефекта сплошности с учетом нелинейности магнитных свойств ферромагнетика. – Дефектоскопия, 2000, №5, с.43 – 54.

4. Кифер И.И. Испытания ферромагнитных материалов.- М.: Энергия, 1969. -360 с.

5. Мишин Д.Д. Магнитные материалы.- М.: Высшая школа, 1981. – 335 с.

6. Бизюлев А.Н., Мужицкий В.Ф., Загидулин Р.В. и др. Вихретоковый дефектоскоп ВД-12НФП и методы обработки измеренного сигнала от дефекта. – Дефектоскопия, 2004, №5, с.85 – 91.