Прилади магнітного контролю дефектів, викликаних водневою корозією виробів та конструкцій

прилад магнітний контроль

Актуальність теми. Вугільноводневе паливо є основним джерелом енергії минулого 20-го сторіччя й залишається таким у 21 віці. Поряд із зростаючим обсягом здобування нафти та газу розвивається ядерна енергетика, а також воднева енергетика як найбільш перспективний та оперативний варіант заміни вугільноводневого палива.

В процесі транспортування, переробки та зберігання нафти й газу постійно на металеві елементи трубопроводів, хімічних реакторів, сховищ діє водень та його сполуки, які інколи мають високу температуру та тиск. Одним з елементів, які виділяються в процесі ядерної реакції, є водень, що чинить руйнівний вплив на металоконструкцію реакторів. Отримання, зберігання та транспортування чистого водню потребує особливих заходів безпеки - це стосується й контролю металу, який знаходиться в безпосередньому контакті з воднем.

Наслідки руйнування стінок металоконструкцій техногенно небезпечних об'єктів під впливом водню можуть привести до локальних чи навіть до глобальних катастроф. Надійна та довгострокова експлуатація таких об'єктів без належного неруйнівного контролю не уявляється можливою, що знайшло своє відображення в Законі України "Про об'єкти підвищеної небезпеки" від 18.01.2001 року № 2245-111. Таким чином, існує актуальна задача контролю металоконструкцій, які працюють у средовищі, що містить водень, і вирішення цієї задачі дозволить надійно їх експлуатувати та уникнути техногенних катастроф.

Переважна більшість металоконструкцій, які працюють у средовищі, що містить водень, є феромагнітним матеріалом. Великі габаритні розміри й довгий строк експлуатації подібних об'єктів накладають спеціфічні вимоги на операції їх контролю. Припустимим методом контролю є безперервний моніторинг технічного стану таких об'єктів з зовнішньої сторони з охопленням великої площі контролю без пошкодження стінок об'єкта. Є чисельні дослідження, які встановлюють зв'язок між механічними характеристиками феромагнітних матеріалів й параметрами їх магнітного стану. Тому, здійснення подібного моніторингу в теперішній час можливо за допомогою магнітного методу, як найбільш чутливого до структурних змін в металі, та тому що він має простоту реалізації та високу стійкість до перешкод від впливу зовнішніх факторів.

Використання для вирішення задачі моніторинга безпосередньо на контролюємих функціонуючих об'єктах великої кількості існуючих засобів й методів контролю магнітних характеристик феромагнітних матеріалів таких, як коерцитиметри, феритомери та ін., неприпустимо у зв'язку із специфікою контролюємого об'єкта й особливостями параметрів, які потребують контролю. Пояснюється це наступним:

- первинні вимірювальні перетворювачі повинні довгий час (2-3 роки) та в умовах перепаду температур знаходитися на об'єкті контролю (наприклад, на хімічному реакторі) із збереженням у заданих межах метрологічних характеристик;

- необхідно контролювати не тільки магнітні характеристики матеріалу, але й можливі дефекти у вигляді порушення суцільності металу водночас;

- первинні вимірювальні перетворювачі не мають можливості переміщатися по поверхні контролюємого об'єкта, що позбавляє можливості знаходити дефекти за зміною магнітного поля розсіяння при просуванні перетворювача;

- значні відстані (сотні метрів) від місця встановлення первинних вимірювальних перетворювачів до пристрою обробки інформації та управління системою контролю.

Тому для створення засобів моніторингу технічного стану техногенно небезпечних об'єктів необхідно вирішити ряд наукових та технічних задач з адаптації відомих методів та засобів магнітного контролю до умов контролю об'єкта з вищенаведеними специфічними особливостями.

Ця задача повинна вирішуватися на підставі наукових експериментальних та теоретичних досліджень, які стануть основою розробки систем контролю. До цих досліджень належать наступні:

- визначення змін параметрів первинних вимірювальних перетворювачів у часі при перепадах температури оточуючого середовища при довгостроковому їх функціонуванні;

- розробка методів та засобів контролю вимірювальних перетворювачів й корекції їх характеристик на основі компенсаційних схем;

- дослідження кореляційного зв'язку між змінами структури металу та виникненням у ньому необоротніх руйнівних процесів з магнітними характеристиками металу й магнітними полями розсіяння;

- розробка системи та її структури первинних вимірювальних перетворювачів, яка дозволяє в статичному режимі реєструвати не тільки структурні зміни у феромагнітному матеріалі, але й ознаки порушення його суцільності;

розробка системи передавання інформації від об'єктів контролю до пристроїв обробки інформації та підготування методів та алгоритмів її остаточної обробки.

Вартість розробки та виготовлення таких систем буде значною, але все ж таки вона буде меншою за вартість сучасних методів контролю, які полягають в зупинці технологічного процесу, для вирізання з контролюємої оболонки реакторів зразків для їх лабораторних досліджень.

Тому розробка теорії, методів, засобів і приладів магнітного контролю для використання останніх в автоматизованих системах контролю техногенно небезпечних конструкцій, які містять водень, є актуальною науково-технічною проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Робота виконувалась згідно з державною науково-технічною програмою пріоритетного розвитку за такими напрямками: охорона оточуючого природнього середовища; перспективні інформаційні технології, прилади комплексної автоматизації, системи зв'язку, що пройшли конкурс Міністерства освіти та науки України: держбюджетні теми ГН-67-92 (№ ДР 0194U015296), ГН-104-95 (№ ДР 0195U007048), наказ у Східноукраїнському національному університеті (СНУ) №1901 від 10.01.95р., ГН-37-98 (№ ДР 0198U002854) наказ СНУ №39-01 від 31.01.98р., ГН-11-00 (№ ДР 0101U003280) наказ СНУ №21-01 від 14.01.2000р., а також у рамках госпдоговірних робіт.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є розробка теоретичних основ систем магнітного контролю структурних та фізико-механічних властивостей феромагнітного матеріалу, працюючого в середовищі, що містить водень, техногенно небезпечних об'єктів, і які базуються на теоретичному узагальненні відомих результатів та дослідженні нових підходів до вирішення сформульованої задачі.

Об'єкт дослідження - неруйнівний магнітний контроль дефектів водневої корозії феромагнітних стінок промислових об'єктів, які знаходяться у робочому стані.

Предмет дослідження - методи та створення на їх основі приладів на базі багатоелементних ферозондових перетворювачів для безперервного магнітного контролю діючих промислових об'єктів, стінки яких мають підповерхневі дефекти, викликані водневою корозією.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на розв'язанні задач, які встановлюють кореляційні зв'язки дефектів, викликаних водневою корозією, з магнітними властивостями металу й методах розрахунку двомірних магнітних задач поведінки магнітного поля в об'ємі та на поверхні стінки об'єкта контролю; числових методах вирішення систем лінійних та нелінійних алгебраічних рівнянь, які побудовані на основі аналізу та експериментальних даних роботи багатоелементних ферозондових перетворювачів у слабкому магнітному полі на феромагнітній поверхні, що зазнає водневу корозію; методах добору та обробки первинної інформації теорії магнітного контролю, математичного й фізичного моделювання у задачах обробки сигналів великої кількості ферозондів на працюючому промисловому об'єкті.

Для досягнення поставленої мети у роботі вирішувалися такі задачі:

- розробка на основі аналізу літературних джерел математичної моделі фізичних процесів у феромагнітних металах при контакті їх з воднем, яка дозволяє встановити можливість магнітного контролю оболонок крупногабаритних об'єктів;

- створення методу числового аналізу магнітних статичних полів розсіяння намагнічених областей оболонок при варіюванні параметрів петлі гістерезису матеріала та при утворенні несуцільностей у металі;

- проведення експериментальних досліджень для визначення характера змін функції перетворення вимірювальних перетворювачів на основі ферозондів при тривалій їх експлуатації та при перепадах температури;

-теоретичні дослідження первинних вимірювальних перетворювачів на основі ферозондів для оцінки взаємного впливу півелементів ферозондів один на одного, уточнення функції перетворення ферозондів у залежності від навантаження та внутрішнього опору генератора збудження;

- розробка методу та засобів статичного визначення магнітних характеристик матеріалу та несуцільностей в ньому на основі матричних перетворювачів;

- експериментальна перевірка основних теоретичних посилань, розробка пристроїв контролю та системи обробки інформації вимірювальних перетворювачів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

Шляхом аналізу фізичних процесів, які відбуваються у феромагнітних металах при контакті їх з воднем, встановлено, що існує можливість контролю фізико-механічних властивостей металу магнітним способом, які є основою розробки теоретичних основ та технічних пристроїв контролю оболонок техногенно небезпечних конструкцій.

Запропоновано методи та їх числова реалізація теоретичного розрахунку магнітних полів розсіяння намагнічених ділянок оболонки об'єкта при зміні магнітних характеристик матеріалу під впливом водню та при появі в ньому несуцільностей, що дало можливість здійснити одночасний контроль структури та дефектів феромагнітного матеріалу.

Розроблено метод та пристрої для його реалізації статичного контролю несуцільностей в металі, викликаних водневою корозією, шляхом схемного сканування поверхні оболонки матричним вимірювальним перетворювачем, що дало можливість реалізувати систему довгострокового контролю об'єктів.

Шляхом експериментальних досліджень визначено зміни функції перетворення ферозондів при довгостроковій їх експлуатації в умовах контролю хімічних реакторів, що дає можливість обгрунтовано вибрати їх часовий та енергетичний режими роботи та розробляти необхідні схеми компенсації зміни їх параметрів, що забезпечує необхідні метрологічні характеристики вимірювальних приладів.

Отримала подальший розвиток теорія ферозондових вимірювальних перетворювачів, яка дає можливість оптимізувати їх параметри в умовах функціонування в матричних перетворювачах без погіршення метрологічних характеристик, що поширює область їх використання в магнітній дефектоскопії.

Розроблена система збирання та обробки інформації вимірювальних перетворювачів, розподілених в просторі на базі комп'ютерної техніки, що визначає можливість функціонування системи моніторингу технічного стану техногенно небезпечних об'єктів у часі та просторі.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що створені прилади магнітного контролю, які дозволяють контролювати технічний стан стінок об'єктів, що містять водень та знаходяться в процесі експлуатації. Виготовлені прилади використовуються на техногенно небезпечних об'єктах, нафто- та газопроводах, хімічних і ядерних реакторах, сховищах вуглеводнів та відпрацьованого ядерного палива, що дозволяє контролювати і прогнозувати надійність та довгостроковість роботи стінок металоконструкцій даних об'єктів без їх зупинки та вирізання контрольних зразків.

Розроблені прилади впроваджені:

- у вигляді магнітних давачів корозійного контролю на реакторі Р-201 устаткування отримання О-П-ксилолів ВО “Киришинефтеоргсинтез” (Ленінградська область);

- у вигляді магнітних ферозондових давачів потоку водню на НВО “Леннефтехим” (м. Санкт-Петербург);

- у вигляді магнітного дефектоскопу для контролю труб діаметром до 219мм на Молодечненському заводі легких металоконструкцій (Республіка Беларусь);

- у вигляді ферозондового дефектоскопу для контролю вісей колісних пар у процесі виробництва на ВО “Вагонобудування” (м. Стаханов).

Особистий внесок здобувача полягає в наступному: виконана постановка мети наукових досліджень та сформульовані задачі створення математичних та розрахункових моделей ферозондових перетворювачів. Запропоновано числові моделі полів розсіяння дефекту та розроблено підхід до створення приладів магнітного контролю конструкцій, що містять водень, на базі ферозондового магнітореєстраційного каналу.

Спільно з співробітниками науково-дослідної лабораторії “Технічної електродинаміки” кафедри “Прилади” здійснені розрахунки за розробленими моделями, проведені лабораторні випробування розроблених магнітних приладів та виготовлені їх дослідно-промислові зразки.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на: V міжнародній науково-технічній конференції “Проблемы развития локомотивостроения” (Алушта, 1995р.); VI Міжвузівській науково-технічній конференції країн СНД “Современные методы и средства электромагнитного контролю и их применение в промышленности” (Могильов,1995р.); на Другій міжнародній конференції “Водородная обработка материалов” (Донецьк, 1998 р.); на XV Symposium Electromagnetic phenomena in nonlinear circuits (Poznan-Liege,1998); 4 спеціалізованій конференції та виставці “Сучасні прилади, матеріали і технології для неруйнівного контролю і технічної діагностики промислового обладнання" (Івано-Франковськ, 1999р.); Третій міжнародній конференції "Водородная обработка материалов" (Донецьк, 2001 р.); міжнародній науково-технічній конференції "Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій, комп'ютерної інженерії" (Львів, 2002р.); Другій Промисловій науково-технічній конференції “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях” (Київ,2002р.); XVI російській науково-технічній конференції "Неразрушающий контроль и диагностика" (Санкт-Петербург, 2002 р.); 4-й Національній науково-технічній конференції і виставці "Неруйнівний контроль та технічна діагностика-2003" (Киев, 2003г.); Другій науково-технічній конференції "Приладобудування 2003: стан і перспективи" (Київ, 2003р.); на науково - технічних конференціях Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (м. Луганськ).

Публікації: основні результати дисертації опубліковані у 43 наукових працях, з них 1 монографія, 1 патент, 8 статей у наукових журналах, 20 статей у збірниках наукових праць та 13 у працях науково-технічних конференцій.

Структура та обсяг дисертації: дисертаційна робота складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних літературних джерел та 3 додатків. Повний обсяг дисертації складає 426 стор.: 3 ілюстрації за текстом, 153 ілюстрації на 95 стор., 1 таблиця по тексту, 7 таблиць на 4 стор., 267 найменувань використаних літературних джерел на 24 стор., 3 додатки на 111 стор.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступній частині обгрунтована актуальність теми дисертації, показано зв'язок роботи з науковими держбюджетними темами Міністерства освіти і науки України, сформульовані мета та основні задачі теоретичних і експериментальних досліджень, наукова новизна та практична цінність отриманих результатів. Наведені дані про впровадження результатів роботи, особистий внесок автора та публікації.

У першому розділі проаналізовані фізичні процеси водневої корозії та можливість використання для її контролю існуючих методів та приладів магнітного контролю на базі індукційних магніточутливих елементів.

Детальний аналіз процесів, які протікають у хімічних реакторах, трубопроводах, сховищах вуглеводних компонентів (нафто-, орто- параксилолів, природнього газу, бензина та ін.) показує, що в процесі експлуатації вищенаведених об'єктів через їх стінки встановлюється стаціонарний потік водню 10^-6…10^-7 моль/см². Це веде до поступового руйнування стінки об'єкта контролю, тобто спостерігається процес водневої корозії. Можна виділити три основні стадії водневої корозії та типи дефектів суцільності, які утворюються в металі (флокени та блістирінг). На першій інкубаційній стадії відбувається зневуглецьовування металу, яке супроводжується різким збільшенням неметалевої фази (карбіду). Друга фаза водневої корозії супроводжується збільшенням внутрішніх напруг у металі, викликаних високим тиском скупчування продуктів розпадання (метану та молекулярного водню) у несуцільностях по межах зерна металу. Та третя значна стадія водневої корозії - розвиток мікродефектів суцільності у мікротріщіни та їх просування до зовнішньої стінки об'єкта. На всіх трьох стадіях корозії відбувається поступова втрата міцності металу, а її прискорюючими факторами є додаткові механічні і температурні навантаження.

Розглянуто основні методи контролю процесів водневої корозії, які базуються на експериментальних дослідженнях контрольних зразків, вирізаних з реальних об'єктів.

Показано, що в процесі водневої корозії змінюється структура металу, що веде за собою незворотні зміни магнітних властивостей металу. Розвиток неметалевої фази в інкубаційний період веде до зміни магнітної проникності матеріалу. Внутрішні напруги в металі, які виникають під дією метана та молекулярного водню, приводять до зміни коерцитивної сили металу (рис.1), а розвиток тріщіни змінює поле розсіяння на поверхні стінки об'єкта контролю. На основі аналізу літературних джерел встановлені однозначні кореляції між фізико-механічними властивостями сталі стінки об'єкта контролю та його магнітними властивостями.

Проведено огляд та аналіз існуючих приладів магнітного контролю на предмет їх використання для реєстрації магнітних аномалій в металі, викликаних водневою корозією.

Наведені дані досліджень показують, що сьогодні немає практичних методів контролю водневої корозії, які можливо використовувати на діючих промислових об'єктах. Магнітний метод контролю є найбільш інформативним і він забезпечує надійність та достовірність отриманої інформації. Для реалізації цього методу потребується розробити новий клас приладів магнітного контролю.

У другому розділі розроблено концепцію магнітного методу контролю стінок конструкцій, що містять водень. В силу безперервного протікання процесу водневої корозії та тривалості даного процесу, зареєструвати зміни магнітних властивостей металу стінки контролюємого об'єкту під впливом водню можливо тільки при тривалому знаходженні перетворювача на поверхні об'єкту контролю. Це дозволяє накопичувати дані про зміни магнітних властивостей металу впродовж тривалого часу з одного встановлення перетворювача. Для створення інформаційного магнітного поля перетворювач має кілька намагнічувальних котушок, розташованих по периметру перетворювача (рис.2). Задача намагнічувальних котушок - створити в об'ємі перетворювача однорідне магнітне поле, в якому розташована матриця феромодуляційних чутливих елементів, за допомогою якої знімається топографія вертикальної складової поля розсіяння контролюємої ділянки.

Для створення однорідного поля в об'ємі, який займає давач, вирішено задачу синтезу намагнічувальної котушки. Намагнічувальна котушка складається з трьох секцій, кожна з яких замінюється нескінченно тонкою котушкою. Використовуючи метод дзеркальних зображень, ми маємо 6 тонких котушок, виконаних з дротів одного й того ж перетину, але з різним струмом.

Згідно формули Біо-Савара-Лапласа, знаходимо індукцію одиничного витка із струмом в об'ємі V_м. Потім шукаємо точки , в яких буде виконуватися умова .

Ця задача зводиться до вирішення системи лінійних алгебраїчних рівнянь, в результаті вирішення якої отримаємо сукупність струмів та магнітне поле цих струмів з похибкою . Потім за знайденими значеннями струмів визначаються розміри котушок у першому наближенні з врахуванням коефіцієнтів заповнення. Визначивши параметри першого наближення сукупності тонких котушок, знаходимо поле , яке створюється цими котушками у шукаємому об'ємі з похибкою . Якщо ця похибка перевищує похибку , то необхідно виконати друге наближення, розташовуючи нескінченно тонкі прямокутні витки зверху тонких котушок першого наближення та перерозподіляючи знайдені в них струми за перетинами тонких котушок. Перетин тонких котушок вибирається з припустимої, відносно нагріву, щільності струму. Ітераційний процес припиняється після n-го кроку, коли наступає наближена об'єктивна рівність. За запропонованою методикою в об'ємі 0,03х0,07х0,065м³ синтезовано однорідне магнітне поле з вектором індукції В=0,1Тл з похибкою, яка не перевищує =6%.

Далі представлена математична модель підповерхневого дефекту в стінці об'єкта контролю, викликаного впливом водню. Обгрунтована можливість заміни ряда мілких близько розташованих дефектів одним дефектом прямокутної форми.

При виборі математичної моделі поля дефекту водневої корозії реального об'єкта використовувались наступні припущення: функція намагніченості локалізована в обмеженій області; область намагнічування має прямокутну геометричну форму; область, в якій розташована точка нагляду, необмежена; магнітне поле дефекту вважається плоскопаралельним. Враховуючи зроблені припущення, математичну модель дефекта будуємо на векторному нелінійному інтегральному рівнянні Фредгольма II-го роду.

При розбитті дослідної області на елементарні площинки, в межах кожної з яких вважаемо, що рівняння Фредгольма II-го рода зводиться до інтегрального рівняння

Для зменшення порядку системи рівнянь (1), джерела поля виносяться на контур намагнічуючої області. При цьому спрощується розрахунок поля та процес розбиття області на елементарні площинки

Надалі, при проведенні чисельних експериментів оцінюється ефективність двох запропонованих моделей.

Рівняння (1) і (2) вирішуються ітераційним способом сумісно з рівнянням магнітного стану матеріала за алгоритмом де S^(k) - параметр, який визначається із залежності В(Н) контролюємого матеріала. При розрахунку залежності В(Н) використовуються два методи: перший - апроксимація граничної та часткових петель гістерезиса кусочно-лінійним способом та другий - шляхом порівняння напруженості, яка створюється намагніченим матеріалом з напруженістю, лінійно залежною від коерцитивної сили H_T=_TH_c, яка називається напруженістю зрушення. Якщо Н<Н_Т, величина намагніченості у точці, що розглядається, зостається незмінною. При Н>Н_Т відбувається обертання вектору та зміна його модуля, після чого встановлюється нове значення намагніченості . Використання двох методів апроксимації кривої гістерезису у другому квадранті дозволило: встановити коректність початкової моделі, знайти коефіцієнти _T та ₀, які початково вибиралися емпірично. Це дало можливість використовувати при розрахунку виключно просту модель обліку нелінійної залежності М(Н).

При розрахунку полів розсіяння дефектів, які викликані водневою корозією, використовувались такі геометричні моделі підповерхневих дефектів: прямого, нахиленого та зубчастого. Розрахунки проводились для таких товщин стінок об'єктів контролю: 3,2мм (стінка трубки теплообмінника), 7,0мм (товщина стінки нафто- та газопроводної труби), 15мм (стінка сховища вуглеводневого палива), 30мм (стінка хімічного реактора) - на відстані 0,5мм від поверхні (рис.3). Мінімальна початкова величина розкриття дефекту 100мкм, що приблизно 2-4 діаметра зерна мілкозернистої сталі, а початкова розрахункова глибина дефекту 0,1мм, що відповідає глибині зневуглецевування, з якої починається інтенсивний розвиток тріщини. Розрахунок проводився в залишковому магнітному полі Н₀=1000А/м, а також у застосованих полях з Н₀=5000А/м і Н₀=10000А/м. Результати розрахунків за розробленими моделями були перевірені на добре прорахованому поверхневому прямокутному дефекті. З метою проведення розрахунків полів розсіяння дефектів у реальному масштабі часу ( їх робить мікроконтролер, вбудований у прилад ), одержані спрощені математичні залежності поля дефекту від його геометричних розмірів. Одержання цих залежностей здійснювалося методом ортогонального композиційного планування другого порядку для двох факторів, якими є глибина h та розкриття 2b дефекту. Облік решти параметрів дефекту і намагніченості ділянки контролю здійснюється за допомогою коректуючих функцій, тоді напруженість поля розсіяння визначиться як H_m=M₀F_kF(2b,h), де F_k - коректуюча функція, яка залежить від коерцитивної сили, початкової намагніченості, кута нахилу, заглиблення, шорсткості стінки дефекту; F(2b,h), - базова функція.

У результаті розрахунку для підповерхневого дефекту одержана залежність

H_m =M₀F_k(x₃,x₄)( 0,28710^-2x₁+0,11410^-2x₂+0,09510^-2x₁x₂+0,10810^-2x₁²+0,02610^-2x₂²),

де х₁, х₂, х₃, х₄ - кодовані значення величин 2b, h, H_c, d.

Для нахиленого дефекту одержана наступна спрощена залежність

H_m =M₀F_k(x₃,x₄) (0,64210^-2+0,58710^-3x₁+0,06510^-3x₂+0,1810^-2x₁x₂+0,16510^-2x₁²+0,007810^-2x₂²),

де х₁, х₂, х₃, х₄ - кодовані значення величин 2b, h, H_c, tg .

Розрахунок поля для дефектів з зубчастою стінкою дало можливість одержати спрощену залежність

H_m =M₀F_k(x₃,x₄)( 0,40610^-2+0,71210^-2x₁+0,09310^-3x₂+0,08410^-2x₁x₂+0,14410^-2x₁²+ +0,008310^-2x₂²),

де х₁, х₂, х₃, х₄ - кодовані значення величин 2b, h, H_c, t.

Отримані значення полів розсіяння дефектів за спрощеними залежностями співпадають із значеннями розрахованими по моделям (1) та (2). Розбіг з відомими роботами Аркад'єва В.К., Зацепіна М.М., Мужицького В.Ф., Новікова І.А. не перевищує 5-7%, що підтверджує коректність отриманої математичної моделі поля дефекта.

У третьому розділі проведені теоретичні дослідження роботи магніточутливого пристрою для контролю дефектів, викликаних водневою корозією. У якості основного магніточутливого пристрою використовується лінійка ферозондів. Почергова комутація вихідних сигналів ферозондів створює ефект лінійної розгортки, що дає можливість реєструвати не тільки величину напруженості магнітного поля, але й його топографію. Основним елементом пристрою є двоелементні ферозонди, теорія яких у теперішній час достатньо повно розроблена. Однак при побудові матричних перетворювачів виникає ряд проблем, котрі пов'язані із специфікою фізичних процесів, які відбуваються в двохелементних ферозондах. Першою проблемою є близьке розташування півелементів, яке веде до їх взаємного впливу і у результаті до зниження чутливості ферозондів. Другою проблемою є облік впливу активного опору, який розташований у ланцюгу збудження ферозонда, на його функцію перетворення, а саме, активного опору навитки збудження та вихідного опору генератора.

Максимальна відстань між ферозондами у матриці визначається теоремою Котельникова. Якщо поле розсіяння намагніченої ділянки має ширину спектру , то максимальна відстань буде дорівнювати X_M= /2_b, де _b - найвища частота спектру функції Н(X). Спектральна функція Фур'є для нормальної складової напруженості магнітного поля з урахуванням її парності . Для розрахованих полів розсіяння максимальна відстань між ферозондами не повинна перевищувати 12мм, а саме на такій відстані існує взаємний вплив ферозондів один на одного. Для оцінки цього впливу розглядається розподілення поля в осереддях ферозонду, з урахуванням взаєморозташування їх півелементів. Оскільки осереддя півелементів мають кінцеву довжину, то в них виникає розмагнічуюче поле. Це поле тим менше, чим більше такий показник осередь, як відношення квадрату їх довжини до площі перетину.

Основною характеристикою ферозонда служить функція перетворення, яка є дійсним числом та, поряд із залежністю від частоти і амплітуди напруженості збудження, залежить від магнітної проникності осереддя та від площі його перетину. Встановлено, що геометричні розміри осередь чи їх диференційна магнітна проникливість є основними параметрами, які визначають метрологічні характеристики ферозонда.

У якості осереддя ферозонду використовувався аморфний метал 2НСР чи 10КНСР. При прямокутній формі осереддя його товщина складала 10мкм і 25мкм при ширині до 2мм, а діаметр циліндричних осередь дорівнював 0,3мм та 0,8мм. Для цих форм осередь знаходилась залежність розподілу напруженості складових магнітного поля вздовж осереддя з урахуванням впливу вимірювальної навитки та навитки збудження.

При проведенні числового розрахунку поля в осереддях ферозонду, розрахункова модель будується при наступних припущеннях: вихрові струми в осередді рівні нулю; вектори - коленіарні; навитки котушок замінюються шарами струму; об'єм осереддя розбивається на елементарні об'єми (ЕО) і в кожному ЕО приймаємо, що . При цих припущеннях напруженість в точці нагляду визначається від кожної ЕО з урахуванням поля навитки збудження. Як модель використовується система нелінійних інтегральних рівнянь, яка приводиться до системи нелінійних алгебраічних рівнянь

(3)

де - вектори напруженості поля збудження і виміряємого поля відповідно. Далі рівняння записується як в прямокутній системі координат для осередь прямокутного перетину, так і в циліндричній системі координат для осередь круглого перетину. Враховуючи, що аморфний метал осередь ферозонда має вузьку прямокутну петлю гістерезису, залежність апроксимується кусково-лінійною функцією. Потім проводиться розрахунок коефіцієнтів симетричної матриці для кожної з трьох компонент магнітного поля. При розрахунку поля збудження струм у котушці збудження замінюємо на поверхневу щільність струму та інтегрування ведемо за чотирьма гранями котушки збудження.

В результаті отримано формули для розрахунку складових напруженості трьохмірного магнітного поля в осередді ферозонду.

Враховуючи характер роботи ферозонду на поверхні металу, підданій водневій корозії, яка полягає в малому прирощуванні вимірюємого поля, коли Н_изм<<H_b, то ферозонд можна розглядати як лінійний пристрій з періодично змінним значенням магнітної проникності (t). При цьому допущенні, для розрахунку функції перетворення ферозонда необхідна залежність _c=f(,2B), де 2B - довжина осереддя ферозонду. Тому для різних параметрів осередь знайдено розподіл складової магнітної індукції вздовж вісі осереддя. Так на межі розділу осереддя-повітря дотична складова індукції має розрив В-В_в=₀, де В, В_в - дотична складова індукції в осередді та у повітрі, - щільність поверхневого струму. Тоді дотична складова індукції зв'язана з щільністю поверхневого струму виразом В=D. Для визначення щільності поверхневого струму стрижень розбиваємо на циліндричні ділянки довжиною y_j, в кожній з яких тече струм Функція індукції в осередді подається як сума індукцій виміряємого В_изм та зв'язаного В_св струмів. З урахуванням індукції, яка створюється на вісі котушки збудження з нескінченно тонким шаром струму, отримано інтегральне рівняння відносно поверхневої щільності зв'язаного струму

,(4)

яке вирішується методом послідовного наближення, а рішення шукається у вигляді ряду , спадавої геометричної прогресії. Визначивши перший член прогресії, знаменник та суму членів ряду прогресії, знаходимо індукцію на вісі осереддя

(5)

В результаті числових розрахунків були визначені залежності В_у(у), М_y(y), Н_ру(у), де у - координата, співпадаюча за напрямком з віссю осереддя ферозонда. Встановлено, що ці залежності у великій мірі залежать від параметрів котушки струму збудження ферозонду. Тому для котушок, у яких довжина менше довжини осереддя, втрачає смисл такий параметр, як коефіцієнт розмагнічування, оскільки він стає залежним від відношення довжин котушки та осереддя. Значення максимальної величини магнітної проникності та індукції насичення мало впливають на розподілення поля вздовж осереддя. Дані, отримані при аналізі розподілу полів векторів М таН_р вздовж осереддя, приводять нас до висновку, що методом зменшення похибки при розрахунку функції перетворення ферозонда є використання у розрахунках функції перетворення безпосередньої залежності В_у(у). Експериментами встановлено, що поздовжня складова вектору індукції складає в середньому вздовж осереддя 90-95 % від модуля вектора індукції при значеннях l²/S>40-50. При менших значеннях вага складових вектора індукції, не співпадаючих з віссю осереддя, зростає, що викликає необхідність використовувати для розрахунку поля в осередді рівняння (3), а не (4). Для оцінки коректності моделей поля в осередді розраховується коефіцієнт розмагнічування осередь і результати порівнюються с даними, одержаними іншими дослідниками.

При створенні поля підмагнічування перетворювача за допомогою постійних магнітів осереддя ферозонду знаходиться у полі постійних магнітів, а також у полі розсіяння феромагнітної поверхні. Для визначення магнітного поля у такій магнітній системі використовується метод дзеркальних зображень, при якому просторове інтегральне рівняння для трьохмірного магнітного поля зводиться до системи алгебраічних рівнянь

. ( 6 )

Зовнішнє поле є полем дзеркального зображення постійного магніта, а для дзеркального зображення полем зовнішнього джерела буде поле постійного магніту. Тому до системи рівнянь (6) додається функція, характеризуюча зв'язок між намагніченістю та напруженістю поля Н=Н(М) у другому квадранті петлі гістерезису постійного магніта, виконаного з материалу ніобій-залізо-бор. Для кожного елементарного об'єма постійного магніту початкова намагніченість дорівнює , де В_r - залишкова індукція магніту, а для дзеркального зображення магніта вектор залишкової намагніченості вважається рівним . Після визначення векторів намагніченості у кожному елементарному об'ємі дзеркального зображення магніта, розрахунок вектора намагніченості знову ведеться за тим же алгоритмом в об'ємі магніта, але не при нульовому значенні , а при напруженості зовнішнього поля, яке створює дзеркальне зображення. Після визначення вектора намагніченості у магніті і його дзеркального зображення, розрахуємо поле зовні постійного магніту на лінії розташування осередь ферозонда.

Четвертий розділ присвячено розрахунку ферозондового магніточутливого елемента, працюючого у слабких магнітних полях на поверхні масивних феромагнітних тіл у складі багатоелементних перетворювачів.

Визначається нижній поріг чутливості ферозонда, увімкненого за схемою градієнтоміра. Максимальне значення величина Н(х) приймає при х=х_m, тобто у точці де найбільша швидкість зміни функції Н(х) (рис.4). Чи іншими словами, зменшення величини напруженості поля на відстані х можна оцінити коефіцієнтом К=Н_m(х)/H₀. З графічних залежностей К=f(х,) випливає, що необхідний поріг чутливості ферозонду повинен знаходитись у межах Н₀1-3А/м. З розглянутих раніше видів збудження ферозондів і способів обробки його вихідного сигналу, найбільш придатним для реєстрації полів у зазначеному діапазоні є режим збудження ферозонду синусоідальним струмом та виділення інформаційного сигналу у вигляді амплітуди другої гармоніки, а також імпульсне однополярне збудження.

Для контролю дефектів, викликаних водневою корозією, використовують-ся відносно невеликі по довжині ферозонди (4-7мм) та незважаючи на це не можна вважати, що напруженість поля вздовж ферозонда однакова і дорівнює напруженості поля в точці.Відомі рекомендації з вибору довжини осереддя ферозонда зводяться до того, що довжину ферозонда необхідно вибрати як можна меншою настільки, наскільки дозволяє технологія виготовлення ферозонду. Однак при цьому зменшується чутливість ферозонду за рахунок зменшення проникності його осередь. Тому розроблено механізм визначення раціональної довжини ферозонда, при якій зберігається реакція ферозонда на поля розсіяння дефектів та необхідна величина функції перетворення.

Розроблена математична модель процесу утворення вихідного сигналу ферозонда при імпульсному однополярному збудженні, яка менш ідеалізована та зручна для практичних розрахунків. Розрахункова модель будується на аналітичному визначенні середнього значення відносної магнітної проникності осереддя ферозонду. При цьому роблять такі припущення: дія вихрових струмів враховується шляхом зміни внутрішнього опору генератора збудження; крива намагнічування осередь ферозонду апроксимується функцією арктангенсу.

Ланцюг збудження ферозонду лінеаризується наступним чином: знаходиться максимальне значення напруженості магнітного поля в осереддях ферозонду, необхідне для утворення вихідного сигналу Н_m= B_s/(₀m), визначається середнє значення відносної магнітної проникності осередь при зміненні напруженості поля збудження від 0 до Н_m. Знаючи середнє значення магнітної проникності осереддя, розраховується індуктивність ланцюга збудження. Вихідна напруга u₂ на неробочому ході при дії імпульсу збудження визначається різницею похідниць потокозчеплення вихідних навиток ферозонду

.

Згідно з принциповою схемою ферозонда, наданою на рис. 5, з впливом імпульсу збудження

Рис. 5. Електрична принципова схема ферозонду

перехідний процес для напруженості поля збудження при малих значеннях поля, що виміряється H<<H_m описується такою математичною залежністю

де ; R - активний опір ланцюга збудження.

З урахуванням перехідних процесів, що протікають у ланцюзі збудження ферозонду під час дії імпульсу збудження та після його завершення, отримано вирази для визначення амплітуди вихідних імпульсів ферозонда при мінімальній тривалості імпульса збудження.

Для перевірки правомочності лінеаризації ланцюга збудження розроблена математична модель, яка враховує нелінійність залежності В=В(Н). Модель будується на основі другого закону Кірхгофа для вхідного ланцюга у вигляді рівняння

яке вирішуєтся відносно Н. Функція перехідного процесу в ланцюзі збудження апроксимується неповним кубічним поліномом H=c₁ t+c₂t²+c₃t³ .

Розрахунки були проведені для ферозонда з довжиною осереддя l = 5, 6, 7 мм при останніх рівних параметрах S=0,02510^-6м²; w₁ = 150; w₂ = 100; R=15 Ом, матеріал осередь 2НСР, з амплітудою E_m=20B та тривалістю імпульса збудження _И=10^-6с. Результати розрахунків за двома моделями ( суцільна лінія - лінійна модель, рис. 6, 7 ) показують, що максимальні значення вихідних імпульсів збігаються, що вказує на припустимість використання лінійної моделі вхідного ланцюга з усередненим значенням магнітної проникності.

Для запобігання "дзвону" вихідного сигналу ферозонда на неробочому ході він навантажується опором 50-2000 Ом. Вплив цього опору на функцію перетворення ферозонда здійснюється за допомогою розгляду енергетичного режиму ферозонда.

Енергія магнітного поля в осереддях півелементів ферозонду в режимі утворення вихідного сигналу дорівнює

де V_a, V_b=V - об'єм осереддь півелементів.

Визначивши реактивну потужність частки енергії, за рахунок якої формується вихідний сигнал ферозонду, знайдено вихідний опір ферозонду. При опорі навантаження R₂, вихідне напруження навантаженого ферозонду дорівнює

.

Отримані числові результати за даною формулою відрізняються на 5-7% від експериментальних даних. Аналіз роботи ферозонда при синусоідальному збудженні при тих же прийнятих припущеннях, що й при імпульсному збудженні, та з урахуванням того, що вхідний ланцюг ферозонда має нелінійну індуктивність, проводиться методом гармонічного балансу. Результати розрахунку показують, що амплітуда другої гармоніки складає не більше 10% від усього сигналу і, для ефективного виділення сигналу на другій гармоніці, опріч сигнала, необхідно підбирати амплітуду поля збудження. Беручи до уваги низький поріг чутливості ферозондів, необхідний для реєстрації процесів водневої корозії, слід враховувати усі фактори, що впливають на роботу ферозонда. Одним з таких вагомих факторів є зміни магнітної проникності осередь ферозондів при їх взаємному впливі один на одного. Для осередь, розташованих на відстані співвимірному з їх геометричними розмірами (рис.8), запропонована наступна формула розрахунку проникності форми осередь

похибка якої не перевищує 1,5%.

Коректується також функція перетворення ферозонду, що працює у складі багатоелементного матричного перетворювача. На рис. 9 показано результати розрахунків залежності вихідного сигналу одиничного ферозонда при переміщенні над дефектом (пунктирна лінія) та ферозонда, який знаходиться в оточенні 10, 6 та 4 ферозондів у матриці. З графіків видно, що найбільш різка зміна коефіцієнта перетворення спостерігається при < 1 і залежить від того, скільки осередь оточують ферозонд.

Температура ферозонда, який знаходиться на поверхні стінки реактору, змінюється в залежності від температури оточуючого середовища та температури стінки реактору. Зміна температури осереддь ферозонду веде до зміни його функції перетворення, тому для її коректування отримано аналітичні залежності зміни вихідного сигналу ферозонда від його температури.

Теплова модель ферозонда містить чотири ізотермічні зони, у яких джерела тепла розподілені рівномірно у всьому об'ємі. Між сусідніми ізотермічними зонами проходить теплообмін за законом Ньютона. Тепловим джерелом Р₁ вимірювальної навитки можна знехтувати, у порівнянні з потужністю теплових джерел навитки збудження Р₂, компенсаційної навитки Р₃ та осереддя Р₄ - визначених втратами на перемагнічування та вихрові струми. На основі закону Кірхгофа для теплового ланцюга та закону збереження енергії для ділянок ланцюга створена система рівнянь, що описують теплові процеси ферозонда. Ця система вирішується відносно температури осереддя t₄, t₄ =К₁Р₂+К₂Р₃+К₄t_с, де К₁-К₄ функції теплових провідностей ізотермічних зон, t_с - температура оточуючого середовища. Знаючи залежність температури осереддя ферозонду від частоти поля збудження та довжини ферозонду визначається робоча частота ферозонда з урахуванням зміни температури оточуючого середовища. Розрахунки показали, що зміна температури осереддя на 80^оС визиває зміну вихідного сигналу ферозонда не більше ніж на 4-6%, що знаходиться у межах похибки роботи ферозонду.

В п'ятому розділі наведені результати експериментальних досліджень: зміни коерцитивної сили сталі під впливом водню; полів розсіяння підповерхневих дефектів; параметрів магнітної системи ферозонду ( коефіціенту розмагнічування осередь та розподілу індукції вздовж вісі осереддя), які підтверджують коректність розроблених математичних моделей у попередніх розділах.

Дослідження зміни коерцитивної сили проводились на вакуумному устаткуванні, а контрольна пластина з сталі 20 нагрівалася до 500^оС для прискорення процесу її наводнювання. Ступінь наводнювання пластини визначався за числом молекул водню, які пройшли крізь неї при постійному тиску останнього. Для реєстрації цих молекул використовувся мас-спектрометр МХ-7303. Процес наводнювання супроводжується вимиванням вуглецю зі сталі, що веде до зміни коерцитивної сили сталі на 61% при зменшенні вмісту вуглецю в контрольній пластині на 1%.

Для дослідження полів дефектів, викликаних водневою корозією, остання замінювалась міжкристалічною корозією, яку отримували кип'ятінням контрольного зразка в сірковокислому розчині мідного купоросу. Матеріал контрольних зразків Сталь 20 та 30ХМЛ, які мають однакові коефіцієнти розчинності водню, а за воднестійкістю та коерцитивною силою - різко відрізняються.

Після намагнічування контрольних зразків проводилось сканування їх поверхні блоком ферозондових перетворювачів з шагом 1мм. Аналіз магнітовимірювального каналу у диапазоні 3-200А/м показав, що його похибка не превищує 1,5-2%, а розбіг теоретичних даних розрахунку полів розсіяння дефектів та експериментальних даних не перевищує 5-7%.

Розподілення індукції вздовж осереддя ферозонду визначалося за допомогою балістичної установки БУ-3. У якості магніточутливого елементу використовувався мініатюрний давач Холу (розміри 0,5х0,15мм), який пересувався вздовж осереддя з шагом 0,05мм. Живлення давача Холу здійснювалось змінним струмом частотою 2кГц. Використання схеми компенсації залишкового напруження дозволило вимірювати напруженість поля у поверхні осереддя з похибкою не більше 2%.

У шостому розділі наведені розроблені схеми приладів контролю водневої корозії та конструкції первинних перетворювачів для різних об'єктів контролю. На базі розробленої схеми компенсації початкового розбалансу ферозонда (патент України 39325А) при імпульсному збудженні побудовані магнітовимірювальні канали для матричних перетворювачів. Принцип компенсації початкового розбалансу ферозонда засновано на зсунені нульової точки ферозонду на середину його робочого діапазону, який у свою чергу визначається різницею максимального вихідного напруження й напруження розбалансу ферозонда. Для зменшення числа з'єднувальних дротів навитка компенсації живиться від імпульсів збудження через амплітудний детектор.

Розроблений принцип компенсації дозволив досягнути порога чутливості ферозонду з імпульсним збудженням близького до порога чутливості ферозонду, що працює на другій гармоніці.

Імпульсний режим роботи ферозонду дозволив використовувати прості схеми збудження та обробки вихідного сигналу з великої кількості ферозондів. Він забезпечує високу стійкість до перешкод за рахунок великої імпульсної потужності вихідного сигналу.

Для досягнення високої стабільності імпульсів збудження у широкому температурному діапазоні та при роботі на велику кількість ферозондів використовувася програмний метод формування напруги збудження, реалізований на РІС - контролері. Також на РІС - контролері побудована схема збирання та попередньої обробки вихідних сигналів ферозонду. Використання керуючих мікроконтролерів дозволило проводити попередню обробку, зберігання та передавання інформації безпосередньо із давача. При цьому контролер "пакує" та готує інформацію до передавання, виконує функцію диспетчера живлення та забезпечує коректировку функції перетворення ферозонду за тестовими сигналами у діапазоні температур -40^оС +125^оС та у часі на 210^-7В/1000ч.

Розроблено конструкцію первинного перетворювача (рис. 10), який встановлюється на стінці контролюємого реактору. З допомогою магнітно-пружинних притискачів, які самоцентруються, (рис.11) перетворювач надійно утримується на поверхні об'єкта контролю. Розрахована мінімально припустима відстань від магнітного притискача до перетворювача, коли магнітне поле притискача не впливає на роботу перетворювача. Сумісно з перетворювачем в корпусі знаходиться схема збудження та обробки вихідних сигналів, яка живиться від автономного джерела.

Враховуючи неможливість проведення експериментів на діючому хімічному реакторі, кожний елемент конструкції приладів магнітного контролю пройшов випробування і працює у складі магнітних дефектоскопів, які використовуються у промисловості на етапі виробництва окремих вузлів та деталей.

Розглянуто питання надійності роботи приладів, проводиться аналіз вірогідності отриманої інформації, а також наведені результати експлуатації розроблених приладів на працюючих промислових підприємствах.

висновки

У дисертаційній роботі на основі теоретичних і експериментальних досліджень дано узагальнення і нове вирішення науково-технічної проблеми проведення неруйнівного магнітного контролю стінок промислових об'єктів, підпадаючих під дію водню. Показано, що здійснення безперервного магнітного моніторинга об'єкта контролю, який знаходиться у робочому стані, дозволяє виявляти внутрішні дефекти водневої корозії на початкових стадіях та простежити динаміку їх розвитку. Для реалізації цих можливостей розроблено нове покоління приладів магнітного контролю на базі багатоелементних ферозондових перетворювачів, які дозволяють вирішувати актуальні задачі неруйнівного контролю і техничної діагностики техногенно небезпечних об'єктів.

У рамках розробки даного підходу отримані такі основні результати:

1. Встановлено кореляційні зв'язки між дефектами, викликаними водневою корозією на її різних стадіях, та магнітними властивостями металу об'єкта контролю. Показана циклічність зміни коерцитивної сили на початкових стадіях водневої корозії, що дозволяє здійснювати її контроль до моменту утворення підповерхневих макродефектів.

2. Побудована геометрична модель підповерхневого дефекта, яка враховує особливості утворення та розвитку дефектів у водневому середовищі. На основі розробленої геометричної моделі дефекта проведені розрахунки полів розсіяння, а також одержані експериментальні дані полів розсіяння від реальних дефектів, які підтверджують коректність запропонованої геометричної моделі.

3. Розроблено дві математичні моделі розрахунку полів розсіяння підповерхневих дефектів водневої корозії. Запропоновано ітераційний метод і розроблено алгоритм для рішення нелінійних векторних інтегральних рівнянь, на яких базуються дані моделі. Шляхом перетворення залежності магнітного поля від вектору намагніченості можна винести джерела магнітного поля на поверхню області та звести задачу з розрахунку магнітного поля у нелінійному середовищі до вирішення системи нелінійних інтегральних рівнянь.