Классификация ультразвуковых методов диагностики.
Глава 9. Устройства автоматизированной диагностики
Состояния пути и стрелочных переводов
Неразрушающий контроль, в процессе которого выявляют дефекты типа несплошностей и структурных неоднородностей, называют дефектоскопией. Существуют различные физические методы неразрушающего контроля, базирующиеся на проникающих полях и веществах. Физические методы неразрушающего контроля разделены на десять основных видов. Каждому методу и соответствующим средствам неразрушающего контроля присущи определенные параметры. Параметры, обусловливающие достоверность результатов контроля, составляют группу основных параметров. Варианты метода отличаются значениями основных параметров. В общем случае для дефектоскопии объектов могут быть применены различные методы контроля и их варианты.
Совокупность вариантов одного или различных методов, используемых по определенной программе для оценки качества конкретного объекта контроля, образует систему неразрушающего контроля. В частном случае система может включать один вариант одного метода. При весьма больших объемах применения систем неразрушающего контроля на базе различных методов весьма важно формирование эффективных систем контроля, обеспечивающих максимально возможный полезный результат от применения при возможно минимальных затратах на систему. Одним из эффективных средств контроля за состоянием рельс и стрелочных переводов являются дефектоскопы, которые позволяют обнаруживать дефекты при эксплуатации. Принцип действия дефектоскопов основан на использовании магнитных и ультразвуковых методов.
|
|
|
Классификация магнитных и электромагнитных методов
дефектоскопии.
Скрытые дефекты в стальных железнодорожных рельсах обнаруживаются магнитными и электромагнитными методами. Для этого рельсы намагничивают способом приложенного магнитного поля электромагнитом или постоянным магнитом. Характер намагниченности рельсовых нитей, также как и методы обнаружения внутренних дефектов при разных скоростях перемещения намагничивающего поля существенно отличаются. Для большей надежности выявления дефектов в рельсах один и тот же участок пути периодически контролируют при двух скоростях перемещения магнитного поля относительно рельса – 4-5 и 60-70 км/ч. Поэтому каждый из них может классифицироваться как метод, имеющий самостоятельное значение.
В случае перемещения магнитного поля относительно рельса со скоростью 4-5 км/ч условия намагничивания рельсов близки к статическим. Над головкой рельса с внутренним поперечным дефектом возникает местное магнитное поле – поле рассеяния дефекта. Метод, основанный на индикации поля рассеяния дефекта при статическом намагничивании рельсов в пути, называется магнитным.
|
|
|
Перемещение магнитного поля относительно рельсов со скоростью 60-70 км/ч вызывает появление в них замкнутых контуров вихревых токов. Поэтому наличие дефекта приводит не только к местному изменению намагниченности рельса, но и к местному изменению в нем контуров вихревых токов и их плотности. При совместном действии этих факторов в зоне дефекта над поверхностью рельса возникает местное изменение поля – магнитодинамическое поле дефекта. Метод дефектоскопирования рельсов в пути, основанный на индикации магнитодинамического поля, называется магнитодинамическим.
Разработана электромагнитная аппаратура для выявления волосовин и закатов. Принцип работы электромагнитного дефектоскопа для обнаружения волосовин с недопустимыми размерами основан на вихре токовом методе, при котором анализируется изменение параметров возбуждающей системы (плоская накладная катушка), находящейся в переменном магнитном поле при помещении ее вблизи дефекта рельса.
Магнитный метод.
В основу магнитного метода обнаружения дефектов положено явление возникновения собственного магнитногополя дефектной области Нд., предварительно намагниченной детали, имеющей нормальный уровень намагниченности На. Над головкой продольно намагниченного рельса с внутренней поперечной трещиной усталости возникает поле рассеяния дефекта. Собственное поле дефекта,пропорциональное намагниченности вещества внутри дефекта, возникаетза счёт магнитной поляризации боковых поверхностейдефекта. Достаточно полное и физически обоснованное представление об образовании собственного поля дефекта можно получить аналитическим методом, в котором для упрощения принят ряд допущений.
|
|
|
Дефект (трещины, полости и т.п.) представляется в форме сжатого эллипсоида, расположенного в безграничной магнитной среде. Графически это представлено на рисунке 9.1.
 |
Рис. 9.1. Схема поляризации стенок дефекта и линии поля.
В среде, где действует внешнее однородное магнитное поле Но, направленное вдоль главной оси эллипсоида,дефект добавляет собственное поле, поэтому его называют полем дефекта и обозначают Нд.
В действительных условиях магнитное поле около экваторасильно сжатой поперечной трещины усталости существеннымобразом влияет на формирование поля над рабочей поверхностью головки продольно намагниченного рельса.
|
|
|
Наряду с магнитными зарядами, возникающими на боковых поверхностях дефекта, возможно появление магнитных зарядов в среде, окружающей дефект. Эти магнитные заряды называют объемными. В условиях дефектоскопирования реальных объектов объемные заряды возникают вследствие нелинейной зависимости магнитных свойств среды, окружающей дефект от напряженности намагничивающего поля. Появлению объемных магнитных зарядов способствует также неоднородная намагниченность среды, находящейся в непосредственной близости от дефекта. Установлено, что в сильных магнитных полях объемные заряды несколько усиливают внешнее действие поверхностных зарядов, а в слабых действие объемных зарядов по отношению к поверхностным изменяется на обратное.
При реализации этого метода используются различные способы намагничивания проверяемых деталей и приемы индикации поля Нд. Дефектоскопирование магнитным методом выполняется в приложенном магнитном поле. Опыт показал, что в поле с напряженностью, вполне доступной в практических условиях, уровень магнитных полей от внутренних трещин усталости средних размеров значительно выше уровня мешающих полей. Лишь при таком соотношенииуровней полей над головкой намагниченного рельса можно рассчитывать на приемлемую чувствительность магнитного метода к внутренним трещинам усталости в головке рельса. Что же касается направления приложенного поля, то для более четкого обнаружения поперечных трещин рельсы должны намагничиваться в продольном направлении.
Рельсы в пути проверяют этими дефектоскопами, не нарушая движения поездов (не занимают перегон, а в случае прохождения поезда дефектоскоп снимают с рельсов). Дефектоскоп для намагничивания рельсов имеет постоянные магниты. Между полюсами магнитов в головке рельсов различных типов создается продольное поле со средней напряженностью 8 – 10А/см. Измерение уровня сосредоточенного поля На, созданного предварительным намагничиванием выявляют искателями. Простейший искатель представляет собой многовитковую катушку с сердечником или без него. Если такая катушка с намагничивающим устройством дефектоскопа перемещается над рабочей поверхностью головки рельса, то на участке с полем Нд на ее зажимах появится импульс электродвижущей силы. В практике широкое распространение получили искатели, в которых магниточувствительным элементом служат феррозонды.
Феррозондом называется устройство, чувствительное к внешним магнитным полям, постоянным или медленно изменяющимся. Действие феррозондов основано на использовании нелинейного характера процесса намагничивания сердечника при взаимодействии в нем двух магнитных полей – внешнего измеряемого (постоянного) и некоторого вспомогательного (переменного). Существует несколько разновидностей феррозондов. Рельсы дефектоскопируют наиболее простым типом феррозонда с одним прямым сердечником и одной обмоткой, которая одновременно служит для возбуждения вспомогательного переменного поля и измерения э. д. с. на выходе феррозонда.
Магнитодинамический метод.
Этот метод используется для скоростного дефектоскопировапия рельсов, лежащих в пути. Постоянное магнитное поле перемещается относительно рельса со скоростью 60-70 км/ч. Оно возбуждается П-образными электромагнитами – по одному на каждую рельсовую нить пути. Намагничивающие обмотки электромагнитов подключены к источнику постоянного тока. Между полюсами движущегося электромагнита и рабочей поверхностью рельса есть воздушные зазоры 8-10 мм. Полюсные магнитные потоки (рис.9.2) частично рассеиваются, а в рельсе разветвляются на две части – межполюсную и заполюсную. Для обнаружения дефектов в рельсах используется межполюсной магнитный поток, составляющий примерно 60 % общего потока, возбуждаемого намагничивающим током в обмотках электромагнита. Характерные свойства магнитодинамического метода в основном обусловлены особенностью намагничивания рельсов в движущемся поле электромагнита. Магнитный поток, возникающий в рельсе в зоне влияния одного из полюсов движущегося электромагнита, возрастает и убывает в зоне влияния другого полюса.
 |
Рис. 9.2 Схема разделения магнитного потока в рельсе
Этот непрерывный процесс перемагничивания рельса полем движущегося электромагнита связан с явлением гистерезиса и образованием вихревых токов. Установлено, что увеличение скорости перемещения электромагнита от 57 до 70 км/ч незначительно уменьшает индукцию в поверхностном слое головки рельса и вместе с тем вызывает резкое уменьшение индукции в глубинных слоях головки. Такой сложный характер намагничивания рельса, резко меняющийся с увеличением скорости перемещения электромагнита относительно рельса, обусловлен действием вихревых токов.
Дефект в виде поперечной трещины в головке рельса является препятствием для продольной составляющей вихревых токов. Трещины вызывают изменение контуров замкнутых вихревых токов и уменьшают их плотность. Это приводит в зоне дефекта к изменению магнитного поля вихревых токов внутри головки рельса и над ее поверхностью. Местное изменение поля вихревых токов над рабочей поверхностью головки рельса представляет собой вихретоковую составляющую магнитодинамического поля дефекта. При низких скоростях движения, когда интенсивность наводимых в рельсе вихревых токов невелика, определяющее значение в формировании магнитодинамического поля дефектов имеет фактор намагниченности. С увеличением скорости движения растет интенсивность наводимых в рельсах вихревых токов, повышается их роль в формировании магнитодинамических полей дефектов, что сказывается на их значении и форме.
Магнитодинамические поля дефекта определяют искателем. В условиях перемещения электромагнита относительно рельса в качестве искателя может служить многовитковая катушка без магнитного сердечника. Катушку устанавливают в полюсном пространстве электромагнита и вместе с ним перемещают над рабочей поверхностью головки рельса.
Вихретоковый метод.
Обнаружение дефектов в металлических деталях вихретоковым методом базируется на законе электромагнитной индукции, по которому переменное магнитное поле возбуждает в них вихревые токи. Последние замыкаются в толще металла и не могут быть использованы для обнаруже-ния дефектов. Поэтому вихретоковый метод основан на наблюдении за процессами, сопутствующими вихревым токам и наряду с этим происходящими вне контролируемой детали. Переменное магнитное поле в контролируемой детали создается намагничивающей катушкой, которая питается от источника переменного тока. Рассматривая вихретоковый метод, следует иметь в виду, что переменное поле, даже при относительно небольшой частоте, проникает только в поверхностный слой детали. По закону электромагнитной индукции в поверхностном слое металлавозникнут вихревые токи, замкнутые контуры их охватывают линии переменного магнитного поля. Вихревые токи, как и всякие электрические токи, создают свое магнитное поле, которое в отличие от поля катушки является вторичным. По правилу Ленца вторичное переменное поле в каждый момент времени противоположно первичному, т. е. ему противодействует.
Взаимодействие поля вихревых токов (вторичного поля) с полем катушки (первичное) изменяет ее электрические параметры. Увеличиваются потери энергии на нагревание детали вихревыми токами и возрастает активное сопротивление катушки. В зависимости от материала (магнитный или немагнитный), в котором возбуждаются вихревые токи, возрастает или уменьшается индуктивное сопротивление катушки. Следовательно, уровень вихревых токов в контролируемой детали косвенным образом может быть установлен по изменению электрических параметров намагничивающей катушки.
Индуктивное сопротивление намагничивающей катушки при контроле немагнитного материала (цветной металл) изменяется иначе, чем магнитного. В немагнитном металле противодействующее поле вихревых токов уменьшает первичное поле намагничивающей катушки, а в магнитном результирующий поток в намагничивающей катушке практически больше, чем первичный, благодаря магнитным свойствам вещества. Следовательно, в первом случае индуктивное сопротивление катушки уменьшается, а во втором – увеличивается.
Изменение электрических параметров намагничивающей катушки зависит от электрической проводимости и магнитной проницаемости металла, над который устанавливается катушка, от частоты намагничивающего тока, толщины слоя металла под катушкой. Чем больше электрическая проводимость металла и частота тока, тем в большей степени изменяются параметры катушки. Вместе с этим, чем больше частота тока и электрическая проводимость металла, тем меньше глубина проникновения вихревых токов.
Трещина или другой дефект, нарушающие сплошности поверхностного слоя металла, – препятствие для вихревых токов (Рис. 9.3). Оно оказывает действие, аналогичное резкому уменьшению электрической проводимости металла, что отражается на электрических параметрах намагничивающей катушки.
Рис. 9.3. Распределение вихревых токов в контролируемом изделии:
а - на участке без дефектов; б- на участке с поперечной трещиной.
Толщина металла имеет значение лишь в тех случаях, когда она меньше глубины проникания вихревых токов в данном металле. Выбор оптимальной частоты намагничивающего поля для дефектоскопирования металла с определенной электрической проводимостью и магнитными свойствами зависит в основном от глубины залегания трещин, которые должны быть обнаружены. Так как контролируется только слой металла, прилегающий к поверхности детали, то для обнаружения трещин с минимальной глубиной залегания используют достаточно большую частоту с тем, чтобы глубина проникания вихревых токов не превышала долей миллиметра. Недостаток метода при накладной намагничивающей катушке – большая чувствительность к изменению расстояния между катушкой и поверхностью детали. Поэтому наличие промежуточных слоев (окисные пленки, защитные покрытия и др.), неровности на поверхности испытуемой детали существенно изменяет электрические параметры намагничивающей катушки. Среди других известных схем практическую ценность для дефектоскопирования токовихревым методом представляет схема с двумя катушками — намагничивающей и измерительной. Катушки жестко связаны и в целом представляют устройство, напоминающее обычную катушку накладного типа. При установке такого устройства на поверхности металлической детали в ней возникают вихревые токи. Витки намагничивающей катушки охватывают результирующий поток, вызванный взаимодействием намагничивающего поля и поля вихревых токов. Система, состоящая из двух катушек, как и мостовая, позволяет дефектоскопировать на основании значения и фазы э. д. с. в измерительной катушке. Опыт показал, что при контроле изделий из ферромагнитных материалов токовихревыми системами накладного типа могут возникать помехи, снижающие надежность выявления недопустимых дефектов. Помехи наблюдаются главным образом в местах, где нарушена структура металла, например из-за обезуглероженности или наклепа. То и другое приводит к заметным изменениям электрических и ферромагнитных свойств металла. Применительно к контролю изделий из ферромагнитных металлов более надежный способ отстройки от помех, вызванных структурнойнеоднородностью материала, – использование особенностей, возникающих в резуль-тате воздействия трещины на распределение вихревых токов в металле. Целесообразно в связи с особенностями вихретокового поля в зоне трещины применять токовихревую систему, вытянутую вдоль трещины. Измерительная катушка системы, ориентированная на вертикальную составляющую поля, должна быть встроена в сердечник намагничивающей катушки и иметь небольшие размеры в поперечном к трещине направлении.
Классификация ультразвуковых методов диагностики.
Различают две группы акустических методов неразрушающего контроля: ультразвуковой дефектоскопии и структуроскопии, основанные на исследовании процесса распространения ультразвуковых упругих колебаний, специально вводимых в контролируемый объект; акустической эмиссии, основанных на исследовании упругих волн, возникающих в контролируемом объекте в момент образования или развития в нем несплошностей. Для излучения и регистрации упругих колебаний применяют электроакустичес-кие или электромагнитоакустические преобразователи. В практике контроля металлических конструкций используют теневой, зеркально-теневой и эхо-импульсный методы ультразвуковой дефектоскопии и метод ультразвукового структурного анализа. При ультразвуковой дефектоскопии признаком обнаружения дефекта является:
для теневого метода – уменьшение интенсивности (амплитуды) ультразвуковой волны, прошедшей через объект от излучающего (И) преобразователя кприемному (П);
для зеркально-теневого – уменьшение интенсивности (амплитуды) ультразвуковой волны, отраженной от противоположной (донной) поверхности объекта (уменьшение донного сигнала);
для эхо-метода – прием преобразователем волны, отраженной от дефекта (прием эхо-сигнала).
При ультразвуковом структурном анализе признак обнаружения дефекта – превышение ослабления ультразвуковой волны,прошедшей через контролируемый объект, над соответствующим ослаблением вконтрольном образце.
Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 1399; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!