Современные тенденции развития вихретоковой дефектоскопии и дефектометрии.

Ефимов А.Г., Шубочкин А.Е.

Процесс производства различного класса изделий и их безопасной эксплуатации невозможен без контроля их качества неразрушающими методами. Важное место среди них занимает вихретоковый метод, который обеспечивает высокую надежность обнаружения поверхностных дефектов и высокую скорость контроля, возможность бесконтактного съема информации и является экологически безопасным. Также к достоинствам вихретокового метода следует отнести возможность работы по грубым поверхностям и выявление дефектов через значительный непроводящий зазор.

Основной задачей неразрушающих методов контроля металлоизделий является обнаружение дефектов сплошности и оценка их геометрических параметров, однако для вихретокового метода точность оценки геометрических параметров дефектов ограничена рядом влияющих факторов, таких как величина зазора, состояние поверхности, форма дефекта и его расположение.

При проведении ручного контроля наибольшее влияние на погрешность результатов измерения глубины дефектов также оказывают следующие факторы: краевой эффект, изменение угла наклона преобразователя, наличие непроводящего зазора между вихретоковым преобразователем и контролируемой поверхностью, отрыв преобразователя от поверхности, локальное изменение шероховатости и кривизны поверхности, магнитные пятна.

В настоящее время требования к точности определения параметров дефектов непрерывно растут. Использование различных численных методов увеличивает объем обрабатываемых данных, поэтому приходится искать компромисс между значительным временем обработки информации и точностью определения параметров дефекта, что делает процесс контроля в реальном времени практически невозможным, и требует использования высокопроизводительной и дорогостоящей вычислительной аппаратуры.

Современный уровень развития электронно-вычислительной техники позволяет смоделировать процессы, протекающие при взаимодействии первичного вихретокового преобразователя с объектом контроля и получить их трехмерное изображение. В настоящее время ведущие электротехнические фирмы применяют при проектировании универсальные программы анализа электромагнитных полей. К числу наиболее известных относится разработки следующих фирм:

·         Ansoft EM - фирма предлагает семейство программных продуктов для анализа электромагнитных полей и проектирования электромеханических устройств

·         Maxwell 3D Field Simulator - для анализа трехмерных систем с электростатическими, стационарными магнитными и квазистационарными электромагнитными полями;

·         Maxwell 2D Field Simulator- для расчета двумерных систем, их оптимизации, подбора материала и моделирования;

·         EMSS – для комплексного моделирования электромеханических систем, обеспечивающий системный подход к анализу и оптимизацию проектируемых устройств;

·         ЕМAS - для проведения совместного анализа электромагнитных и тепловых и динамических процессов.

·         Vector Fields - предлагает полный спектр двух- и трехмерных систем анализа электромагнитных полей широкого диапазона электромагнитных устройств.

·         OPERA-3D - комплекс программ трехмерного проектирования электромагнитных устройств включающий следующие модули:

o      TOSCA, для расчета трехмерных статических электромагнитных полей, построенный на основе метода конечных элементов, характеристики магнитных материалов могут быть нелинейными и анизотропными. Модуль использует итерационную методику решения матриц линейных уравнений, полученных для потенциала в узлах сетки, что позволяет уменьшить требования к памяти по сравнению с прямым алгоритмом. Нелинейные материалы представляются в модуле, используя методику Ньютона-Рафсона;
o      SOPRANO, модуль высокочастотного анализа, позволяющего рассчитывать режимы распространения волн. Применяется для расчетов волноводов и резонансных структур;
o      SCALA, модуль электростатического анализа для расчета воздействия пространственного заряда на траектории частиц;
o      ELEKTRA, модуль анализа переходных процессов, учитывающий эффекты вихревых токов и изменения поля во времени, позволяет учитывать нелинейность магнитных материалов и потери на гистерезис. Используется для анализа широкого диапазона оборудования, включающего электрические машины, привода головок и экранов.

·         MacNeal-Schwendler программа анализа электрических и магнитных полей MSC/EMAC построена на основе метода конечных элементов. Программа позволяет рассчитывать двух- и трехмерные магнитные системы с изотропными, анизотропными и нелинейными материалами. Рассчитываются все динамические электромагнитные процессы, которые возможно описать уравнениями Максвелла. Типичным кругом задач, решаемым MSC/EMAC, являются магнитостатический анализ, магнитодинамический анализ для синусоидальных полей, распределение вихревых токов (для синусоидальных полей), и тому подобное

·         Intergraph and Structural Research - предлагают широко известную систему проектирования и анализа COSMOS/M DESINGER II, которая позволяет профессионально проектировать устройства с учетом механических напряжений, передачи теплоты и полевого анализа. Алгоритм, построенный на основе быстрого метода конечных элементов (FFE), позволяет сократить время расчета до нескольких минут.

·         CAD FEM предлагают универсальную систему конечно-элементного анализа ANSYS. Статический и динамический анализ конструкций с учетом геометрической и физической нелинейности, ползучести и пластичности, линейной и нелинейной устойчивости конструкций, стационарных и нестационарных задач теплофизики с учетом фазового перехода, гидро-газодинамика, электромагнитные поля (в т.ч. высокочастотный анализ), акустика, усталость, а также связанные задачи (например, взаимодействие жидкости с конструкцией) и оптимизация.

В последнее время для решения задач де­фектоскопии в реальном масштабе времени активно развиваются цифровые методы обработки сигналов ВТП. При большой скорости обработки современных компьютерных систем уда­ется сравнивать измеренные сигналы дефектоскопа с несколь­кими кривыми формы сигнала от моделей дефектов. Эти кри­вые получают путем расчета ОК с дефектами разных размеров и различным пространственным расположением. Такая мето­дика позволяет оценивать размеры дефекта в автоматическом режиме.

Значительная часть приборных разработок и усилий исследователей направлена на решение проблем дефектоскопии и дефектометрии, поскольку надежность и безопасность непосредственно связаны с наличием дефектов сплошности и их параметрами [1].

Наиболее опасны дефекты типа трещин, которые могут образовываться при литье, плавке, термической и механической обработке, в результате усталостных процессов и т.д. Разнообразие причин и условий возникновения и развития трещин приводит к их многообразию по форме, расположению, состоянию металла в окрестности дефекта.

Характеристический размер дефекта применительно к вихретоковому методу контроля принято определять по его глубине. При этом настройку и калибровку соответствующих средств дефектоскопии проводят по образцам с искусственными дефектами в виде узких щелей прямоугольной формы. Искусственные дефекты получают фрезерованием, электроискровым и другими методами [1].

К текущему моменту в России и за рубежом созданы и используются в
промышленности различные типы вихретоковых дефектоскопов, которые позволяют эффективно обнаруживать поверхностные и подповерхностные дефекты типа трещин и оценивать их глубину. Однако точность определения геометрических размеров дефекта прямо зависит от электромагнитных свойств контролируемого материала и для улучшения метрологических характеристик дефектоскопа необходимо изготавливать из того же материала контрольные образцы с набором искусственных дефектов различной глубины.

Задача электромагнитной дефектометрии сводится к определению глубины искусственного дефекта прямоугольной формы, дающего такой же сигнал, как и трещина в контролируемом объекте. Погрешность измерения будет меньше, если искусственный дефект берется той же длины, что и у реальной трещины. Кроме того, в вихретоковых средствах дефектоскопии за счет применения дифференциальных вихретоковых преобразователей существенное значение имеет форма трещины. Дополнительные погрешности измерения возникают из-за отклонения плоскости трещины от нормали к поверхности контролируемого объекта, разброса характеристик первичных преобразователей, вариации их рабочего зазора, формы и размеров изделия с дефектом [11].

Важнейшим требованием при контроле усталостных трещин в эксплуатируемых деталях является возможность обнаружения их на рабочих поверхностях часто весьма сложной формы. Рабочая поверхность стальных деталей - это, как правило, участки с повышенной шероховатостью. Поэтому область контроля находится вблизи участков с резко отличающимися свойствами поэтому, главной целью при создании средств и методов контроля усталостных разрушений должно быть улучшение отстройки от влияния мешающих факторов .[3-5, 7]

Многообразие влияющих на результаты измерения факторов и сложность соответствующих функций влияния определяют целесообразность применения средств вычислительной техники для интерпретации результатов измерения [6]. Эффективность ее применения определяется полнотой математического описания протекающих при измерении физических процессов.

Современный уровень развития вычислительных средств позволил существенно расширить возможности средств неразрушающего контроля. Дефектоскопические приборы и установки в настоящее время, как правило, содержат микропроцессоры, выполняющие обработку первичной информации и, в ряде случаев, интерпретацию результатов измерений. Можно сказать, что программное обеспечение стало неотъемлемой частью средств вихретоковой дефектоскопии и дефектометрии. Однако алгоритмы интерпретации информации о состоянии объекта контроля, все еще могут быть значительно улучшены.

В последние годы методы цифровой обработки сигналов в радиотехнике, системах связи, управления и контроля приобрели большую важность и в значительной мере заменяют классические аналоговые методы [8].

Современная тенденция развития методов и средств вихретоковой дефектоскопии состоит в применении автоматизации всех этапов контроля на основе использования вычислительной техники. Современные компьютерные технологии и измерительные системы позволяют автоматизировать процесс считывания, обработки данных и решения систем уравнений с целью получения значений измеряемых параметров объекта, проводить накопление, архивирование данных для периодических повторных измерений, их сравнения и построения динамических кривых измерения ресурсных параметров объекта.

Все большое внимание уделяется разработке не только приборов, но и сканирующих систем и фиксирующих насадок, позволяющих существенно повысить производительность контроля, особенно при контроле деталей со сложной геометрии.

Большинство современных вихретоковых дефектоскопов и систем позволяют эффективно обнаруживать поверхностные дефекты глубиной от 0,2 мм и с необходимой точностью производить ее оценку.

Условно все современные вихретоковые дефектоскопы можно разбить на три группы:

портативные устройства, предназначенные для работы в полевых условиях, обычно их характеризует малый вес, минимальный набор функций, невысокая чувствительность, предельная простота использования;

многофункциональные устройства – как одночастотные, так и многочастотные предоставляющие оператору информацию в виде комплексной плоскости или временной диаграммы. Данные устройства характеризуются расширенным инструментарием, возможностью выборочной фильтрации и несложной математической обработки. Однако данные дефектоскопы требуют лучшей подготовки обслуживающего персонала, достаточно сложны, и, являясь по сути, лабораторными приборами, малоприменимы в цеховых и полевых условиях;

поточные и цеховые дефектоскопы, предназначенные для работы в составе производственной линии или автоматизированного участка НК. Обычно предоставляют широчайшие возможности интеграции и настройки, при использовании совместно с ПК позволяют использовать вычислительную мощь персонального компьютера для математической обработки, как в режиме реального времени, так и при последующей обработке.

Поточные дефектоскопы, являясь узкоспециализированными приборами, зачастую настраиваются на определенный сортамент и используют систему подмагничивания для отстройки от структурных неоднородностей и магнитных пятен, так что единственным и влияющими факторами, требующим внимания, является изменение воздушного зазора между преобразователем и контролируемой поверхностью и край изделия.

Многофункциональные дефектоскопы позволяют, при необходимом уровне подготовки оператора, отстроится от большинства влияющих факторов, однако данный процесс требует непосредственного участия человека. В этом случае резко снижается достоверность контроля, так как оценка параметров дефекта является субъективной, связанной с правильностью интерпретации полученных данных, а также выбора параметров контроля и настроек дефектоскопа.

Наиболее остро проблема достоверности контроля и отстройки от влияющих факторов стоит для портативных устройств. В первую очередь это связано с низким уровнем подготовки персонала, огромным разнообразием контролируемых изделий, недостатком информации об их свойствах. Все это требует максимального исключения «человеческого фактора» из процесса оценки параметров дефекта. Возникает задача оценить параметры дефекта на материале с неизвестными электромагнитными свойствами, при неизвестном непроводящем зазоре в присутствии различных влияющих факторов, причем оценку глубины дефекта необходимо производить в режиме реального времени. Учитывая массогабаритные ограничения для портативных дефектоскопов, алгоритмы, используемые для решения поставленной задачи, не должны требовать значительных вычислительных мощностей.

На примере семейства ручных портативных дефектоскопов можно рассмотреть эволюцию вихретокового контроля, исходя не только из параметров выявляемых дефектов, но также удобства работы оператора и объективности данных контроля. В таблице 1 приведены характеристики широко применяемых на железнодорожном транспорте ручных дефектоскопов семейства ВД-12 (Рис.1.).

Рис. 1. Вихретоковые дефектоскопы

а) ВД-12НФ, б) ВД-12НФМ, в) ВД-12НФП, г) ВД-90НП
Таблица 1.

Параметры	ВД-12НФ	ВД-12НФМ	ВД-12НФП	ВД-90НП
Год разработки	1986	1998	2003	2008
Пороговый дефект для ВТП с диаметром чувствительного элемента 5 мм, мм	3	1	0.5	0.3
Пороговый дефект для ВТП с диаметром чувствительного элемента 2 мм, мм	0.5	0.5	0.3	0.1
Максимальный рабочий зазор	0.2	3	3	10
Индикация глубины дефекта	нет	цифровая	цифровая, графическая	цифровая, графическая
Масса, кг	1.6	0.9	0.9	0.4
Габаритные размеры, мм	230х110х 75	190х150х70	190х150х70	140х72х40
Потребляемая мощность, ВА	4.00	0.35	0.30	0.50
Документирование результатов контроля, протоколов	нет	нет	128	1000
Связь с ПК	нет	нет	IRDA	Bluetooth
Память настроек, программ	нет	нет	5	300
Работа на немагнитных материалах	нет	ограниченно	да	да
Защита ВТП	полиэтилен	корунд	корунд	корунд
Автозагрузка последних настроек для подключенного ВТП	нет	нет	нет	нет

            Основываясь на приведенных данных можно сделать однозначные выводы о значительном улучшении потребительских качеств выпускаемых дефектоскопов, улучшении удобства работы, повышении объективности контроля. Также следует отметить, что на текущий момент вихретоковые дефектоскопы достигли предела по величине порогового дефекта, габаритов, массы и основное дальнейшее их развитие будет идти в направлении снижения погрешности оценки глубины дефектов и уменьшения влияния мешающих факторов.

Для того чтобы двигаться вперед - необходимо оглядываться назад. ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр» обладает колоссальным опытом в области вихретоковой дефектоскопии. Результатом проводимых на протяжении десятилетий исследований являются разработанные и постоянно модернизируемые средства неразрушающего контроля и технической диагностики. В 70-е и 80-е годы при непосредственном участии и под руководством таких видных ученых как В.Ф. Мужицкий и Ю.К. Федосенко были разработаны и внедрены в промышленность десятки типов вихретоковых и магнитных дефектоскопов (ИПП-1М, ВД-40Н, ВД-30П, ВД-20НД, ВД-20П, МД-3, МД-40К).

Были разработаны стационарные дефектоскопы, предназначенные для поточного контроля в процессе производства металлопродукции металлургических заводов: ВД-71 – рельсов, ВМД-50Н – труб нефтяного и другого сортамента диаметром 140-350 мм, ВД-32П – проволоки, прутков, труб диаметром 1-50 мм;

переносные дефектоскопы для контроля деталей и узлов из различных металлов и сталей в процессе их производства, а также для диагностирования машиностроительного (авиационного, автомобильного, атомных станций, транспортного и т.д.) оборудования: ВД-87Н с модификациями (ВД-87НСТ и ВД-87НД с набором соответственно статических и динамических преобразователей), ВД-90Н для контроля металлических поверхностей с малой кривизной, комплектуемый сканирующим устройством с накладным преобразователем;

портативный дефектоскоп ВД-82Н для дефектоскопии металлоконструкций в процессе эксплуатации.

Исследования и разработки В.Ф. Мужицкого [9] и Ю.К. Федосенко [10] легли в основу многих современных средств дефектоскопии и дефектометрии, выпускаемых
ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр», например: портативные вихретоковые дефектоскопы
ВД-12НФМ, ВД-12НФП, ВД-41П, ВД-89НП, ВД-89НМ, ВД-90НП, ВД-91НМ, ВД-92НП. Данные дефектоскопы успешно применяются на десятках промышленных предприятий Российской Федерации, по основным параметрам не уступают лучшим отечественным и зарубежным образцам, а по некоторым – не имеют аналогов в мире.

Сравнивая характеристики двух дефектоскопов (таблица 2.), можно оценить развитие направления дефектоскопии в отрасли НК за 25 лет.

Рис. 2. Вихретоковые дефектоскопы

а) ВД-87НСТ, б) ВД-90НП

Таблица 2.

Наименование характеристики	ВД-87НСТ	ВД-90НП
Год разработки	1987	2009
Масса, кг	8	0,4
Габаритные размеры, мм	170х270х350	140х72х40
Рабочий диапазон температур, ºС	+5 - +50	-30 - +50
Глубина порогового дефекта, мм	0,2	0,1
Диапазон частоты тока возбуждения ВТП, кГц	1-250	1-2000
Максимальный рабочий зазор, мм	0,2	10
Степень защиты от воздействия пыли и влаги	IP40	IP54
Потребляемая мощность, ВА	40	0,5
Защита чувствительного элемента ВТП	нет	корундовый наконечник
Память, число записей дефектограмм	нет	1000
Программы пользователя	нет	300
Связь с ПК	нет	Bluetooth
Работа от аккумуляторов	нет	4 элемента АА

Из приведенных данных видно, что удалось не только в десятки раз уменьшить габариты и массу прибора, но кардинально улучшить такие характеристики как максимальная величина рабочего зазора, глубина порогового дефекта, потребляемая мощность, диапазон рабочих температур, вероятность безотказной работы.

Библиографический список

1.            Бабаджанов Л.С., Бабаджанова М.Л., Бакунов А.С., Ефимов А.Г. К вопросам поверки вихретоковых дефектоскопов. – Контроль. Диагностика, 2011, № 12, с. 70-72.

2.            Бакунов А.С., Ефимов А.Г. «Вихретоковый неразрушающий контроль в дефектоскопии металлоизделий» Контроль. Диагностика, Москва, Машиностроение, №04, 2009, с.21-22.

3.            Ефимов А.Г. К влиянию продуктов коррозии металла и отложений на выявляемость дефектов сплошности при электромагнитном контроле стальных изделий. Часть 1. – Контроль. Диагностика, 2012, №.1.

4.            Ефимов А.Г. К влиянию продуктов коррозии металла и отложений на выявляемость дефектов сплошности при электромагнитном контроле стальных изделий. Часть 2. – Контроль. Диагностика, 2012, №.2

5.            Ефимов А.Г. Распределение сигнала накладного вихретокового преобразователя над стальным изделием с внутренним дефектом сплошности в приложенном магнитном поле. – Контроль. Диагностика, 2012, № 3, с.17-24.

6.            Ефимов А.Г., Разработка адаптивных вихретоковых средств дефектометрии. – Дефектоскопия, 2011, №4, с.68-79.

7.            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.

8.            Загидулин Р.В., Ефимов А.Г. Цифровой анализ сигналов в электромагнитной дефектоскопии. Физические основы и практические приложения. – Saarbrücken, Germany: LAP Lambert Academic Publishing GmbH & Co. KG., 2011., 119 с.

9.            Мужицкий В.Ф. Развитие теории и создание электромагнитных средств дефектоскопии изделий сложной формы. – Докт. дисс. – М., 1986.

10.       Федосенко Ю.К. Разработка теории и создание технических средств вихретокового многопараметрового контроля на основе решения обратных нелинейных многомерных задач. – Докт. дисс. – М., 1981.

11.         Федосенко Ю.К., Шкатов П.Н., Ефимов А.Г. Вихретоковый контроль, учебное пособие, М., ИД «Спектр», 2011, 224 стр.