RU2189583C2

RU2189583C2 - Pyroelectromagnetic method of nondestructive test

Info

Publication number: RU2189583C2
Application number: RU2000130747A
Authority: RU
Inventors: О.А. Булычев
Original assignee: Институт физики металлов Уральского отделения РАН
Priority date: 2000-12-07
Filing date: 2000-12-07
Publication date: 2002-09-20

Abstract

FIELD: non-destructive test of ferromagnetic metal articles, tests of pipes and equipment in oil and gas extracting industry, in aviation, mechanical engineering. SUBSTANCE: tested article is demagnetized and placed in electromagnetic field. Temperature relief is read from surface and stored. Then static magnetic field is switched on and temperature relief is read anew. Then first reading is subtracted from second reading. Defective areas are determined as areas having least difference temperature. EFFECT: enhanced speed of test, improved detection by depth and increased noise immunity. 4 dwg

Description

Изобретение относится к области неразрушающего контроля ферромагнитных металлических изделий и может найти применение в нефтегазодобывающей отрасли для контроля труб и оборудования, в авиационной промышленности, а также в других областях машиностроения. The invention relates to the field of non-destructive testing of ferromagnetic metal products and can find application in the oil and gas industry for the control of pipes and equipment, in the aviation industry, as well as in other areas of mechanical engineering.

Известен способ магнитопорошкового контроля ферромагнитных изделий [1], в котором изделие намагничивается до технического насыщения с помощью электромагнита, соленоида или пропусканием через него электрического тока. Далее намагничивающее поле уменьшают до нуля и на поверхность изделия, находящегося в состоянии остаточной намагниченности, наносят магнитный порошок или суспензию. В местах нахождения дефектов визуально наблюдают скопление ферромагнитных частиц. Недостатком данного способа является значительный расход магнитного порошка (суспензии), трудности в автоматизации контроля и плохое выявление внутренних дефектов. A known method of magnetic particle inspection of ferromagnetic products [1], in which the product is magnetized to technical saturation using an electromagnet, a solenoid, or by passing an electric current through it. Next, the magnetizing field is reduced to zero, and a magnetic powder or suspension is applied to the surface of the product in a state of residual magnetization. At the locations of the defects, an accumulation of ferromagnetic particles is visually observed. The disadvantage of this method is the significant consumption of magnetic powder (suspension), difficulties in automating control and poor detection of internal defects.

Известен также электромагнитный способ контроля изделий в приложенном намагничивающем поле с использованием индуктивных или магниточувствительных преобразователей для фиксации полей рассеивания от дефектов [2]. Недостатком такого способа является потребность в большом количестве датчиков при контроле изделий, в которых необходимо контролировать значительную площадь и притом сложной формы. Большое количество датчиков снижает надежность системы и требует специальной методики выравнивания их характеристик. Чтобы обеспечить необходимую чувствительность контроля необходимо приближать преобразователи близко к поверхности (0,5-5 мм), что усложняет механическую часть подвески преобразователей. There is also an electromagnetic method for monitoring products in an applied magnetizing field using inductive or magnetically sensitive transducers to fix the scattering fields from defects [2]. The disadvantage of this method is the need for a large number of sensors when monitoring products in which it is necessary to control a significant area and, moreover, of complex shape. A large number of sensors reduces the reliability of the system and requires a special technique for aligning their characteristics. To provide the necessary control sensitivity, it is necessary to bring the transducers close to the surface (0.5-5 mm), which complicates the mechanical part of the transducer suspension.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является способ, описанный в [3], в котором изделие контролируется тепловым методом с индуктивным нагревом. Способ осуществляется следующим образом: изделие помещается в высокочастотное электромагнитное поле (система катушек Гельмгольца) так, чтобы контролируемая поверхность была доступна снаружи. Высокочастотное электромагнитное поле наводит на поверхности изделия вихревые токи. Выделяющееся джоулево тепло вызывает разогрев поверхности тела. Разогретое тело начинает излучать в ближней инфракрасной области спектра, длина волны максимума излучения которого зависит от температуры поверхности. Дефекты в теле в виде трещин, пустот, непроваров и т.д. искажают пространственно-временные характеристики тепловых потоков, протекающих в теле. Это проявляется в изменении внешних и внутренних температурных полей, в частности повышение температуры в зоне несплошности из-за плохой теплопередачи. Поверхностный температурный рельеф считывается с помощью инфракрасной тепловизионной аппаратуры, затем полученное изображение подвергается обработке различными алгоритмами, повышающими отношение сигнал/шум, после чего получают информацию о нахождении дефектных областей на поверхности тела. The closest technical solution, taken as a prototype, is the method described in [3], in which the product is controlled by a thermal method with inductive heating. The method is as follows: the product is placed in a high-frequency electromagnetic field (Helmholtz coil system) so that the controlled surface is accessible from the outside. A high-frequency electromagnetic field induces eddy currents on the surface of the product. The generated Joule heat causes heating of the surface of the body. A heated body begins to emit in the near infrared region of the spectrum, the wavelength of the maximum radiation of which depends on the surface temperature. Defects in the body in the form of cracks, voids, lack of fusion, etc. distort the spatio-temporal characteristics of heat flows in the body. This is manifested in changes in external and internal temperature fields, in particular, an increase in temperature in the discontinuity zone due to poor heat transfer. The surface temperature relief is read using infrared thermal imaging equipment, then the resulting image is processed by various algorithms that increase the signal-to-noise ratio, after which information is obtained on the location of defective areas on the surface of the body.

Недостатками этого способа являются: недостаточное быстродействие при выявлении внутренних дефектов вследствие значительной инерционности тепловых процессов, что затрудняет использование данного способа для осуществления контроля в технологических потоках; малая глубина выявления дефектов в массивных металлических изделиях из-за растекания теплового потока по большому объему, в связи с чем на поверхности изделия получается малоконтрастное изображение; критичность к чистоте поверхности, от которой зависит излучательная способность тела, в результате чего вносится дополнительная помеха в полезный сигнал, кроме того, тепловое изображение зашумляет неоднородность теплопроводности приповерхностного слоя, искажающего распределение температуры на поверхности изделия. The disadvantages of this method are: insufficient performance in identifying internal defects due to the significant inertia of thermal processes, which complicates the use of this method for monitoring in process streams; shallow depth of detection of defects in massive metal products due to the spreading of the heat flux over a large volume, and therefore a low-contrast image is obtained on the surface of the product; criticality to the cleanliness of the surface, on which the emissivity of the body depends, as a result of which an additional noise is introduced into the useful signal, in addition, the thermal image is noisy in the heterogeneity of the thermal conductivity of the surface layer, which distorts the temperature distribution on the surface of the product.

В основу изобретения положена задача создания способа неразрушающего контроля ферромагнитных изделий, обеспечивающего повышение быстродействия контроля, улучшение выявляемости дефектов по глубине массивного ферромагнитного металлического изделия и улучшение помехоустойчивости. The basis of the invention is the creation of a method of non-destructive testing of ferromagnetic products, providing increased control performance, improving the detection of defects in depth of a massive ferromagnetic metal product and improving noise immunity.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе неразрушающего контроля, включающем нагревание поверхности изделия высокочастотным электромагнитным полем, считывание поверхностного температурного рельефа и использование его в качестве информативного параметра для обнаружения дефектных областей, изделие дополнительно намагничивают постоянным магнитным полем до состояния технического насыщения, повторно считывают температурный рельеф, определяют разницу этих рельефов и по ее величине судят о наличии дефектных областей. The problem is solved in that in the known method of non-destructive testing, including heating the surface of the product with a high-frequency electromagnetic field, reading the surface temperature relief and using it as an informative parameter for detecting defective areas, the product is additionally magnetized by a constant magnetic field to the state of technical saturation, the temperature is read again relief, determine the difference between these reliefs and judging by its size the presence of defective areas.

На фиг. 1 изображена схема экспериментальной установки, реализующей предлагаемый способ. На фиг.2 изображен температурный рельеф на поверхности образца с искусственным внутренним дефектом в отсутствии намагничивающего постоянного поля. На фиг.3 изображен температурный рельеф при включенном намагничивающем поле. На фиг.4 изображена разность рельефов. In FIG. 1 shows a diagram of an experimental installation that implements the proposed method. Figure 2 shows the temperature relief on the surface of the sample with an artificial internal defect in the absence of a magnetizing constant field. Figure 3 shows the temperature relief when the magnetizing field is on. Figure 4 shows the difference in reliefs.

Сущность изобретения заключается в следующем: при помещении ферромагнитного металлического тела в переменное высокочастотное электромагнитное поле и постоянное магнитное поле плотность (Р) выделяемой мощности вихревых токов на поверхности описывается выражением [1]

где Н₀ - амплитуда магнитной составляющей высокочастотного электромагнитного поля на поверхности,
ρ - удельное электрическое сопротивление вблизи поверхности тела,
а - глубина проникновения, которая рассчитывается по формуле

где f - частота высокочастотного электромагнитного поля,
μ - магнитная проницаемость вблизи поверхности тела.The invention consists in the following: when placing a ferromagnetic metal body in an alternating high-frequency electromagnetic field and a constant magnetic field, the density (P) of the released power of the eddy currents on the surface is described by the expression [1]

where H ₀ - the amplitude of the magnetic component of the high-frequency electromagnetic field on the surface,
ρ is the electrical resistivity near the surface of the body,
a - penetration depth, which is calculated by the formula

where f is the frequency of the high-frequency electromagnetic field,
μ is the magnetic permeability near the surface of the body.

Из выражения (1) видно, что:

Таким образом, температурный рельеф на поверхности тела зависит от магнитной проницаемости в приповерхностном слое. Так как тело намагничено до состояния технического насыщения, то оказавшиеся внутри него дефекты из-за действия размагничивающего фактора будут искажать силовые линии магнитного поля и изменять намагниченность как вблизи себя, так и в приповерхностном слое. В результате из-за нелинейности характеристики намагничивания ферромагнитного тела вблизи поверхности изменится магнитная проницаемость. Поскольку несплошности в теле вызывают эффект еще большего намагничивания вблизи поверхности, то это приводит к уменьшению магнитной проницаемости и выходу силовых линий наружу. Уменьшение магнитной проницаемости согласно (2) приведет к уменьшению выделяемой мощности и уменьшению температуры поверхности над дефектной областью. Уменьшение температуры приведет к смещению спектра и уменьшению интенсивности теплового излучения, что и фиксируется тепловизионным оптическим методом, позволяющим определить температуру на поверхности тела и получить изображение температурного рельефа с выступающими дефектными областями. Для повышения помехоустойчивости в предлагаемом способе производится считывание двух температурных рельефов в отсутствии намагничивающего поля и при его включении. Получаемая разность между показаниями значений температур в одних и тех же точках поверхности позволяет нивелировать влияние посторонних факторов, независящих от намагниченности тела (неоднородность теплопроводности поверхностного слоя и его загрязненность), которые искажают температурное распределение и компенсируются при операции вычитания.From the expression (1) shows that:

Thus, the temperature relief on the surface of the body depends on the magnetic permeability in the surface layer. Since the body is magnetized to the state of technical saturation, the defects inside it due to the action of the demagnetizing factor will distort the lines of force of the magnetic field and change the magnetization both near it and in the near-surface layer. As a result, due to the nonlinearity of the magnetization characteristics of a ferromagnetic body near the surface, the magnetic permeability will change. Since discontinuities in the body cause the effect of even greater magnetization near the surface, this leads to a decrease in magnetic permeability and the emergence of lines of force to the outside. A decrease in magnetic permeability according to (2) will lead to a decrease in the released power and a decrease in the surface temperature over the defective region. A decrease in temperature will lead to a shift in the spectrum and a decrease in the intensity of thermal radiation, which is recorded by the thermal imaging optical method, which allows one to determine the temperature on the surface of the body and obtain an image of the temperature relief with prominent defective regions. To improve the noise immunity in the proposed method, two temperature reliefs are read in the absence of a magnetizing field and when it is turned on. The resulting difference between the temperature values at the same points on the surface makes it possible to level out the influence of extraneous factors independent of the magnetization of the body (heterogeneity of the thermal conductivity of the surface layer and its contamination), which distort the temperature distribution and are compensated during the subtraction operation.

Помещение контролируемого изделия в постоянное магнитное поле позволяет обеспечить выявление дефектов по всей толщине контролируемого объекта, так как магнитный поток наводится во всех точках объема тела. Поскольку процессы намагничивания происходят значительно быстрее, чем распространение температурных волн, то в предлагаемом способе достигается значительно большее быстродействие. Кроме того, анализ разностного рельефа, полученного в постоянном магнитном поле и без него, позволяет повысить помехоустойчивость, так как появляется возможность скомпенсировать зашумление температурного изображения от неоднородности теплопроводности и излучательной способности поверхности, определяемой степенью ее загрязненности. The placement of the controlled product in a constant magnetic field allows the detection of defects throughout the thickness of the controlled object, since the magnetic flux is induced at all points of the body volume. Since the processes of magnetization occur much faster than the propagation of temperature waves, the proposed method achieves significantly greater speed. In addition, the analysis of the difference relief obtained in a constant magnetic field and without it makes it possible to increase noise immunity, since it becomes possible to compensate for the noise in the temperature image from the heterogeneity of thermal conductivity and the emissivity of the surface, determined by the degree of contamination.

Таким образом, предлагаемое автором в данном техническом решении сочетание намагничивания контролируемого изделия до насыщения в постоянном магнитном поле с одновременным нагревом в переменном высокочастотном электромагнитном поле и анализ разностных температурных рельефов для обнаружения дефектов обеспечивают достижение поставленной задачи, а именно - создание пироэлектромагнитного способа неразрушающего контроля, позволяющего значительно повысить быстродействие, помехоустойчивость и выявляемость дефектов по глубине. Thus, the combination of magnetization of the controlled product proposed by the author in this technical solution until saturation in a constant magnetic field with simultaneous heating in an alternating high-frequency electromagnetic field and analysis of differential temperature reliefs to detect defects ensure the achievement of the task, namely, the creation of a pyroelectromagnetic method of non-destructive testing, allowing significantly increase the speed, noise immunity and detectability of defects in depth.

Способ осуществляется следующим образом. Контролируемое изделие размагничивают и помещают в высокочастотное электромагнитное поле. Считывают температурный рельеф с поверхности и запоминают его. Далее включают постоянное магнитное поле и повторно считывают температурный рельеф. Затем из показаний второго температурного рельефа вычитают показания первого в одних и тех же точках поверхности, определяют величину этой разности и по ней судят о наличии дефектных областей. The method is as follows. The controlled product is demagnetized and placed in a high-frequency electromagnetic field. Read the temperature relief from the surface and remember it. Next, a constant magnetic field is turned on and the temperature relief is re-read. Then, the readings of the first at the same points on the surface are subtracted from the readings of the second temperature relief, the magnitude of this difference is determined, and the presence of defective areas is judged by it.

Пример конкретного выполнения. An example of a specific implementation.

Предлагаемый способ контроля ферромагнитных металлических изделий реализован следующим образом. Для снятия температурных рельефов с поверхности образца применялась установка, собранная по схеме, изображенной на фиг.1. Установка содержит точечный преобразователь температуры 1 в виде термопары на основе спая хромель-алюмель, подсоединенной к входу предварительного усилителя 2, выход которого через аналогово-цифровой преобразователь 3 подсоединен к параллельному порту компьютера 4. Перемещение преобразователя 1 над исследуемым образцом 5 осуществляется электромеханическим координатным устройством 6 по двум координатам над поверхностью образца. Электромеханическое координатное устройство 6 управляется командами с компьютера 4. Исследуемый образец 5 представляет собой параллелепипед 300х100х20 мм из стали -3 с просверленным сквозным отверстием 7 диаметром 2 мм вдоль ширины на глубине 15 мм от поверхности. Образец 5 помещался в электромагнитное поле, создаваемое парами катушек Гельмгольца 8 и 9. Катушки 8 подключены к источнику переменного синусоидального напряжения 10 частотой 15 кГц и создавали на поверхности образца электромагнитное поле с напряженностью магнитной составляющей 100 А/см. Катушки 9 подключены к источнику постоянного тока 10 и создавали намагничивающее постоянное поле напряженностью 80 А/см. Температурные рельефы были измерены преобразователем 1 в точках поверхности образца 5 за счет сканирования, обеспечиваемого электромеханическим координатным устройством 6. На фиг.2 приведен температурный рельеф над поверхностью образца, когда на образец действует только переменное поле, создаваемое катушками 8. На фиг.3 изображен температурный рельеф при включении постоянного намагничивающего поля. На фиг.4 приведен разностный температурный рельеф. Из рельефа на фиг.2 видно, что при измерении по способу прототипа на нем не обнаруживается наличие дефектной области, находящейся в толщине образца. На фиг.3 прослеживается ее местоположение, а на фиг.4 дефектная область наблюдается более отчетливо. Оценка быстродействия производилась по времени установления температуры при включении намагничивающего поля с помощью таймера, реализованного программным способом в компьютере. Измеренное время установления составляет - 0,015 с. The proposed method for monitoring ferromagnetic metal products is implemented as follows. To remove the temperature reliefs from the surface of the sample, the installation was used, assembled according to the scheme depicted in figure 1. The installation contains a point temperature transducer 1 in the form of a chromel-alumel junction thermocouple connected to the input of a pre-amplifier 2, the output of which is connected via an analog-to-digital converter 3 to the parallel port of computer 4. The transducer 1 is moved over the test sample 5 by an electromechanical coordinate device 6 in two coordinates above the surface of the sample. The electromechanical coordinate device 6 is controlled by commands from the computer 4. The test sample 5 is a parallelepiped 300x100x20 mm from steel -3 with a drilled through hole 7 with a diameter of 2 mm along a width at a depth of 15 mm from the surface. Sample 5 was placed in an electromagnetic field created by pairs of Helmholtz coils 8 and 9. Coils 8 were connected to a source of alternating sinusoidal voltage 10 with a frequency of 15 kHz and created an electromagnetic field with a magnetic component strength of 100 A / cm on the surface of the sample. Coils 9 are connected to a direct current source 10 and created a magnetizing constant field of 80 A / cm. The temperature reliefs were measured by the transducer 1 at points on the surface of sample 5 by scanning provided by an electromechanical coordinate device 6. Figure 2 shows the temperature relief above the surface of the sample when only the alternating field created by the coils 8 acts on the sample. Figure 3 shows the temperature relief when a constant magnetizing field is turned on. Figure 4 shows the differential temperature relief. From the relief in figure 2 shows that when measured by the method of the prototype, it does not show the presence of a defective region located in the thickness of the sample. In figure 3, its location is traced, and in figure 4, the defective region is observed more clearly. Performance was assessed by the time the temperature was set when the magnetizing field was turned on using a timer implemented in a computer programmatically. The measured settling time is - 0.015 s.

Таким образом, результаты испытаний, приведенные на фиг.1-4, показали, что предлагаемый способ обеспечивает по сравнению с известным следующие преимущества:
1. Возможность определения дефектных областей, залегающих в толще металлического ферромагнитного изделия, так как за счет намагничивания изменяется магнитная проницаемость на поверхности изделия.Thus, the test results shown in figures 1-4, showed that the proposed method provides in comparison with the known following advantages:
1. The ability to identify defective areas lying in the thickness of a metal ferromagnetic product, since due to magnetization changes the magnetic permeability on the surface of the product.

2. Более высокое быстродействие контроля, которое обеспечивается за счет перераспределения температуры только в тонком приповерхностном слое, хотя сам дефект находится на значительной глубине. 2. Higher control performance, which is ensured by the redistribution of temperature only in a thin surface layer, although the defect itself is at a considerable depth.

3. Значительно более высокую помехоустойчивость метода, так как анализ разности рельефов позволяет отстроиться от влияния загрязненности поверхности и неоднородности теплопроводности приповерхностного слоя, обусловленного коррозией и содержанием инородных примесей. 3. Significantly higher noise immunity of the method, since the analysis of the difference in reliefs allows one to tune out the effects of surface contamination and heterogeneity of the thermal conductivity of the surface layer due to corrosion and the content of foreign impurities.

Это позволяет, в свою очередь, сделать вывод о том, что предлагаемая последовательность операций, приведенная в описании и формуле предлагаемого изобретения, является оптимальной для достижения поставленной задачи, а именно - для создания способа пироэлектромагнитного способа неразрущающего контроля, обеспечивающего повышение быстродействия, помехоустойчивости и выявляемости дефектов по глубине. This, in turn, allows us to conclude that the proposed sequence of operations given in the description and claims of the invention is optimal for achieving the task, namely, to create a method of the pyroelectromagnetic method of non-destructive testing, providing increased speed, noise immunity and detectability defects in depth.

ЛИТЕРАТУРА
1. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник/ В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, В.Н. Филинов и др. Под ред. В.В. Клюева - М.: Машиностроение, 1995. - Стр. 247-254.LITERATURE
1. Non-destructive testing and diagnostics: Reference book / V.V. Klyuev, F.R. Sosnin, V.N. Filinov et al. Ed. V.V. Klyueva - M .: Mechanical Engineering, 1995. - Page 247-254.

2. Там же. - Стр. 257-261. 2. There. - Page 257-261.

3. И.Н. Ермолов, Ю.Я. Останин. Методы и средства неразрушающего контроля качества. - М.: Высшая школа, 1988. - С. 162-215. 3. I.N. Ermolov, Yu.Ya. Ostanin. Methods and means of non-destructive quality control. - M .: Higher school, 1988 .-- S. 162-215.

4. И. Ламмеранер, М. Штафль. Вихревые токи. Пер. с чешского, - М.: Энергия, 1967.- Стр. 31-36. 4. I. Lammeraner, M. Stafl. Eddy currents. Per. from Czech, - M.: Energy, 1967.- Pages. 31-36.

Claims

The pyroelectromagnetic method of non-destructive testing of ferromagnetic metal products, including heating the surface of the product with a high-frequency electromagnetic field, measuring the temperature relief and using it as an informative parameter to find defective areas, characterized in that after measuring the temperature relief the product is additionally magnetized in a constant magnetic field and re-read the temperature relief, determine the difference between these reliefs and by its size judge the presence of fektnyh areas.