UA124202C2

UA124202C2 - METHOD OF CONTACTLESS DETECTION OF METAL CYLINDER DEFECT

Info

Publication number: UA124202C2
Application number: UAA201902679A
Authority: UA
Inventors: Роман Михайлович Джала; Василь Романович Джала; Богдан Ігорович Горон; Мар'ян Ігорович Мельник; Олег Іванович Сенюк
Original assignee: Фізико-Механічний Інститут Ім. Г.В. Карпенка Національної Академії Наук України
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2021-08-04

Abstract

Винахід належить до способів безконтактного контролю металевих циліндричних виробів і може бути використаний для контролю протяжних циліндричних об'єктів. В способі безконтактного виявлення дефекту металевого циліндра впливають на циліндр обертовим магнітним полем, переміщують засоби впливу вздовж циліндра, спостерігають за результуючим магнітним полем та за його змінами виявляють дефект циліндра. Згідно з винаходом, на циліндр впливають поперечним магнітним полем, напрям (вектор) якого повертають відносно осі циліндра за допомогою зміщених по фазі струмів, результуюче обертове магнітне поле сприймають двома ортогональними приймачами, які формують сигнали, за якими спостерігають на екрані розподіл результуючого магнітного поля, за змінами (аномаліями) якого виявляють дефекти циліндра і оцінюють їх параметри. Винахід забезпечує спрощення способу виявлення дефектів металевого циліндра, підвищення його надійності і розширення можливостей контролю металевих циліндричних виробів.The invention relates to methods of contactless control of metal cylindrical products and can be used to control long cylindrical objects. In the method of non-contact detection of a defect of a metal cylinder, the cylinder is affected by a rotating magnetic field, the means of influence are moved along the cylinder, the resulting magnetic field is observed and its changes are detected by a cylinder defect. According to the invention, the cylinder is affected by a transverse magnetic field, the direction (vector) of which is rotated relative to the axis of the cylinder by phase-shifted currents, the resulting rotating magnetic field is perceived by two orthogonal receivers. by changes (anomalies) which detect defects of the cylinder and evaluate their parameters. The invention provides a simplification of the method of detecting defects of a metal cylinder, increasing its reliability and expanding the control of metal cylindrical products.

Description

Винахід належить до технічної фізики і призначений для безконтактного виявлення корозійних уражень сталевих циліндричних виробів під ізоляцією і захисним покривом та може бути використаний для контролю протяжних циліндричних об'єктів, таких як труби, прутки, дроти, шини, на предмет виявлення в них дефектів типу порушень суцільності, неметалевих включень, тріщин, вм'ятин, змін геометричної форми.The invention belongs to technical physics and is intended for non-contact detection of corrosion lesions of steel cylindrical products under insulation and protective coating and can be used to control long cylindrical objects, such as pipes, rods, wires, tires, for the purpose of detecting defects of the type of violations in them continuity, non-metallic inclusions, cracks, dents, changes in geometric shape.

Відомий спосіб електромагнітної дефектоскопії лінійно-протяжних об'єктів, таких як труби, прутки шини і т. д., елетромагнітними перетворювачами, за яким на об'єкт контроллю (ОК) впливають електромагнітним полем. Результуюче електромагнітне поле містить корисну інформацію про стан ОК. За джерело і перетворювач поля використовують котушки індуктивності (обмотки збудження і вимірювання). Отриманий сигнал залежить від параметрівThere is a known method of electromagnetic flaw detection of linear objects, such as pipes, tire bars, etc., with electromagnetic transducers, according to which the control object (OC) is affected by an electromagnetic field. The resulting electromagnetic field contains useful information about the state of the OK. Inductance coils (excitation and measurement windings) are used for the field source and converter. The received signal depends on the parameters

ОК та наявності в ньому дефектів, які спричинюють зміни сигналу, за характером яких виявляють дефекти та оцінюють їх параметри (1-2). Спосіб грунтується на фундаментальному законі електромагнітної індукції, вперше сформульованому М. Фарадеєм. Залежно від формиOK and the presence of defects in it, which cause changes in the signal, by the nature of which defects are detected and their parameters are estimated (1-2). The method is based on the fundamental law of electromagnetic induction, first formulated by M. Faraday. Depending on the form

ОК і поставленої задачі застосовують накладні, прохідні і екранні вихрострумові перетворювачі, котушки збудження яких живлять змінним струмом з частотою в діапазоні від 5 Гц до 250 МГЦ.Overhead, through and screen eddy current converters are used for OK and the given task, the excitation coils of which are supplied with alternating current with a frequency in the range from 5 Hz to 250 MHz.

Недоліками відомого способу електромагнітної дефектоскопії є залежності сигналу не лише від наявності і розміщення дефектів, але й від електропровідності і магнітної проникності матеріалуThe disadvantages of the known method of electromagnetic defectoscopy are the dependence of the signal not only on the presence and placement of defects, but also on the electrical conductivity and magnetic permeability of the material

ОК, гістерезису, форми і взаємного розміщення джерела поля і ОК, частоти і форми збуджуючого струму (1). Велика кількість факторів, що впливають на результати випробувань, потребують вишукування способів вилучення сторонніх впливів, що призводить до розробок різних способів придатних для контролю заданого класу об'єктів у певних умовах. Отже відомий спосіб електромагнітної дефектоскопії надто загальний та для різних застосувань потребує конкретизації і уточнень з урахуванням специфіки і параметрів ОК.OK, hysteresis, shape and mutual placement of the field source and OK, frequency and shape of the exciting current (1). A large number of factors affecting test results require the search for ways to remove extraneous influences, which leads to the development of various methods suitable for controlling a given class of objects in certain conditions. Therefore, the known method of electromagnetic flaw detection is too general and for various applications needs to be specified and clarified taking into account the specifics and parameters of the OK.

Відомий також спосіб розсіяного магнітного потоку (2, З), за яким локально намагнічують ділянку ОК та одночасно фіксують магнітне поле розсіяння, що виникає над поверхнею за наявності дефектів або зменшення товщини виробу. За джерело поля використовують постійні магніти, вимірювачі - індукційні перетворювачі або давачі Холла. Спосіб використовують для виявлення механічних пошкоджень і корозійних уражень; застосовують спеціальні снаряди- дефектоскопи. Недоліками відомого способу є суттєвий вплив відстані давача від поверхні ОКThe method of scattered magnetic flux (2, C) is also known, according to which the area of the OK is locally magnetized and at the same time the magnetic scattering field that occurs above the surface in the presence of defects or a decrease in the thickness of the product is recorded. Permanent magnets are used as the field source, and induction transducers or Hall sensors are used as meters. The method is used to detect mechanical damage and corrosion damage; special projectiles are used - defectoscopes. The disadvantages of the known method are the significant influence of the distance of the sensor from the surface of the OK

Зо на вимірюваний сигнал, відсутність інформації про глибину залягання дефектів та значне зростання габаритів і маси обладнання для контролю виробів з товщиною стінки більше 16 ммDue to the measured signal, the lack of information about the depth of defects and a significant increase in the size and weight of equipment for controlling products with a wall thickness of more than 16 mm

ЇЇ, а також необхідність обладнання трубопроводу спеціальними камерами для вводу дефектоскопу у трубу та виводу його з труби (2, с 233-234).HER, as well as the need to equip the pipeline with special cameras for inserting the defectoscope into the pipe and removing it from the pipe (2, p. 233-234).

Найближчим до заявленого винаходу є спосіб сканування, за яким для контролю протяжних об'єктів з круглим перерізом (труби, прутки) обертають перетворювач дефектоскопа навколо осіThe closest to the claimed invention is the method of scanning, according to which to control long objects with a circular cross-section (pipes, rods) the converter of the defectoscope is rotated around the axis

ОК (1, с. 160). За осьового переміщення ОК перетворювачі описують гвинтову лінію навколо його поверхні. Сигнали з виходу перетворювача |1, с. 162)| обробляють шляхом аналізу форми огинаючої високочастотного сигналу, спричиненої модуляцією сигналу полем дефекту. Цей відомий динамічний (або модуляційний) спосіб застосовують для зовнішнього та для внутрішнього вихрострумового контролю труб (1,21.OK (1, p. 160). During the axial movement of the OK, the transducers describe a helical line around its surface. Signals from the output of the converter |1, p. 162)| processed by analyzing the shape of the envelope of the high-frequency signal caused by the modulation of the signal by the defect field. This well-known dynamic (or modulation) method is used for external and internal eddy current control of pipes (1.21.

Недоліками цього відомого способу (прототипу) є застосування механічного обертання перетворювачів за допомогою двигуна або штовхального механізму, розташованого у корпусі зонда (2, с 173), що потребує налагодження складних механічних систем і знижує надійність контролю. Крім цього, під час аналізу отриманих (внаслідок неперервного обертання котушок перетворювачів навколо ОК) сигналів відкидають плавно змінні сигнали великої протяжності, як не властиві сигналам від тріщин (1). Це сприяє виявленню тріщин на поверхні ОК, проте не дає змоги виявляти інші важливі дефекти типу корозійних пошкоджень, протяжних порушень суцільності, неметалевих включень, вм'ятин та змін форми.The disadvantages of this known method (prototype) are the use of mechanical rotation of the transducers using a motor or a push mechanism located in the probe body (2, p. 173), which requires the adjustment of complex mechanical systems and reduces the reliability of control. In addition, during the analysis of the received (as a result of the continuous rotation of the transducer coils around the OC) signals, smoothly varying signals of a long duration are rejected as not characteristic of signals from cracks (1). This contributes to the detection of cracks on the surface of the OK, but does not make it possible to detect other important defects such as corrosion damage, long-term integrity violations, non-metallic inclusions, dents, and changes in shape.

Технічною задачею, яку розв'язує винахід, є створення процедури (послідовності дій) виявлення дефектів металевого (сталевого) циліндра шляхом вибору типу збудження і приймання сигналу з метою зниження (спрощення) вимог до засобів їх реалізації та підвищення надійності і розширення можливостей контролю металевих циліндрів (труб, прутків).The technical problem solved by the invention is the creation of a procedure (sequence of actions) for detecting defects in a metal (steel) cylinder by selecting the type of excitation and receiving a signal in order to reduce (simplify) the requirements for the means of their implementation and increase the reliability and expand the control capabilities of metal cylinders (pipes, rods).

Поставлена задача вирішується шляхом збудження циліндра обертовим магнітним полем і переміщень вздовж циліндра та спостереження за результуючим магнітним полем і виявлення дефектів циліндра за його змінами, відрізняється тим, що циліндр збуджують поперечним магнітним полем, напрям (вектор) якого повертають (обертають) відносно осі циліндра з допомогою зміщених по фазі струмів, результуюче обертове магнітне поле сприймають двома ортогональними приймачами, які формують два сигнали, за якими спостерігають розподіл результуючого обертового магнітного поля, за змінами (аномаліями) якого виявляють дефекти бо труби і оцінюють їх параметри.The problem is solved by exciting the cylinder with a rotating magnetic field and moving along the cylinder and observing the resulting magnetic field and identifying cylinder defects based on its changes. with the help of phase-shifted currents, the resulting rotating magnetic field is perceived by two orthogonal receivers, which form two signals, which are followed by the distribution of the resulting rotating magnetic field, changes (anomalies) of which detect pipe defects and evaluate their parameters.

Суттєвими відмінностями заявленого способу від аналогів і прототипу є збудження (намагнічення) всієї площі поперечного перерізу циліндра поперечним первинним магнітним полем (а не локально, як за прототипом), повертання напряму (вектора) магнітного поля відносно осі циліндра з допомогою двох взаємно ортогональних рамок (котушок), в яких протікають змінні струми, фази яких зміщені між собою на чверть періоду. Результуюче обертове магнітне поле сприймають двома ортогональними магнітосприймачами, які формують два сигнали, за якими аналізують азимутальний розподіл результуючого обертового магнітного поля, за змінами (аномаліями) сигналів (розподілу поля) виявляють дефекти циліндра і оцінюють їх параметри. Названі суттєві ознаки заявленого способу і їх сукупність не відомі ні в аналогів ні у прототипа, отже відповідають критерію "новизна".The significant differences of the claimed method from analogues and the prototype are the excitation (magnetization) of the entire cross-sectional area of the cylinder by a transverse primary magnetic field (and not locally, as according to the prototype), turning the direction (vector) of the magnetic field relative to the axis of the cylinder with the help of two mutually orthogonal frames (coils ), in which alternating currents flow, the phases of which are shifted from each other by a quarter of the period. The resulting rotating magnetic field is perceived by two orthogonal magnetoreceivers, which form two signals, which are used to analyze the azimuthal distribution of the resulting rotating magnetic field, based on the changes (anomalies) of the signals (field distribution), cylinder defects are detected and their parameters are estimated. The named essential features of the claimed method and their totality are not known either in analogs or in the prototype, therefore they meet the "novelty" criterion.

На кресленні показано циліндричну трубу у первинному однорідному магнітному полі та силові лінії її вторинного дипольного поля На На кресл. подано кут фФ повороту вектора Но первинного магнітного поля збудження. Показано також дефект у стінці труби. Спричинені дефектом труби деформації розподілу її магнітного поля на рисунку не показані. Кількісні результати розрахунків залежностей змін розподілу компонент поля, спричинених різними дефектами за різних орієнтацій первинного поля збудження наведені у праці авторів (4).The drawing shows a cylindrical tube in a primary uniform magnetic field and the lines of force of its secondary dipole field. the angle Ф of the rotation of the vector Но of the primary excitation magnetic field is given. A defect in the pipe wall is also shown. The deformations of the distribution of its magnetic field caused by the pipe defect are not shown in the figure. Quantitative results of calculations of dependences of changes in the distribution of field components caused by various defects under different orientations of the primary excitation field are given in the work of the authors (4).

Фізичною основою заявленого способу є дипольний характер розподілу магнітного поля труби (кругового циліндра) та різні деформації цього поля дефектами, залежно від орієнтації первинного збуджуючого магнітного поля |41.The physical basis of the claimed method is the dipole character of the distribution of the magnetic field of the pipe (circular cylinder) and various deformations of this field by defects, depending on the orientation of the primary exciting magnetic field |41.

Дефект найбільше змінює магнітне поле труби тоді, коли він розміщений на шляху магнітного потоку і деформує (розсіює) його; для зображеного на рис. 1 магнітного поля це спостерігається коли кут фФ-0. Якщо ж первинний магнітний потік направлений так, що дефект розміщений у місці його розгалуження (при (ф-90"), коли магнітний потік обтікає дефект, тоді вплив дефекту на розподіл магнітного поля не проявляється |2, 4). Це дає можливість виявляти дефект і оцінювати його параметри за деформацією результуючого магнітного поля (при ф-0"7) та визначати його місце (при ф-907).The defect most changes the magnetic field of the pipe when it is placed in the path of the magnetic flux and deforms (scatters) it; for the one shown in fig. 1 magnetic field it is observed when the angle ф-0. If the primary magnetic flux is directed so that the defect is located at the point of its branching (at (f-90"), when the magnetic flux flows around the defect, then the effect of the defect on the distribution of the magnetic field is not manifested |2, 4). This makes it possible to detect the defect and estimate its parameters by the deformation of the resulting magnetic field (at f-0"7) and determine its location (at f-907).

Приклад конкретного виконання. Розміщують над сталевим циліндром (трубопроводом) та переміщують вздовж нього дві взаємно ортогональні рамки (котушки), які живляться змінними струмами, зсунутими між собою по фазі на 90", та два взаємно ортогональні приймачі (рамки,An example of a specific implementation. Placed above a steel cylinder (pipeline) and moved along it are two mutually orthogonal frames (coils), which are fed by alternating currents, shifted in phase by 90", and two mutually orthogonal receivers (frames,

Зо котушки, ферозонди). Збуджуючі рамки орієнтують відносно циліндра так, щоб створене ними первинне магнітне поле було перпендикулярним до осі циліндра (який контролюють) та однорідним по всьому поперечному перерізу циліндра, труби.From coil, ferrosonde). The exciting frames are oriented relative to the cylinder so that the primary magnetic field created by them is perpendicular to the axis of the cylinder (which is controlled) and uniform across the entire cross-section of the cylinder, pipe.

Сигнали від приймачів подають на ортогональні входи дисплея (осцилографа). Для бездефектного циліндра (трубопроводу), з однаковим налаштуванням амплітуд сигналів щодо вимірюваних компонент поля, на екрані дисплея буде сформована замкнута лінія (фігура), яка відповідає дипольному характеру розподілу магнітного поля циліндра без дефекта.Signals from the receivers are fed to the orthogonal inputs of the display (oscilloscope). For a defect-free cylinder (pipeline), with the same signal amplitude setting for the measured field components, a closed line (figure) will be formed on the display screen, which corresponds to the dipole nature of the distribution of the magnetic field of the cylinder without a defect.

За наявності дефекта циліндра названа фігура на екрані буде деформована. За величиною і орієнтацією цієї деформації фігури можна оцінити параметри дефекта та його розміщення на циліндрі (трубопроводі).If there is a cylinder defect, the named figure on the screen will be deformed. By the size and orientation of this shape deformation, the parameters of the defect and its location on the cylinder (pipeline) can be estimated.

Практичне використання запропонованого способу передбачає переміщення вздовж сталевого циліндра (прутка, труби у цеху підприємства чи підземного трубопроводу в польових умовах) джерела перпендикулярного циліндру обертового магнітного поля та двох взаємно ортогональних сприймачів магнітного поля. На бездефектній ділянці циліндра налаштовують джерело і сприймачі магнітного поля, які підключені до входів двокоординатного дисплея, для отримання лінії (фігури), яка відповідає дипольному характеру розподілу компонент магнітного поля циліндра без дефекту. Приймають цю лінію (фігуру) за шаблон для даного ОК. Під час переміщення джерела і приймачів магнітного поля вздовж циліндра спостерігають за змінами фігури на екрані дисплея. За деформаціями цієї фігури виявляють місця дефектів циліндра, оцінюють їх параметри.The practical use of the proposed method involves moving a source of a perpendicular cylinder of a rotating magnetic field and two mutually orthogonal receivers of the magnetic field along a steel cylinder (a rod, a pipe in the company's shop or an underground pipeline in the field). On the defect-free section of the cylinder, the source and receivers of the magnetic field, which are connected to the inputs of the two-coordinate display, are adjusted to obtain a line (figure) that corresponds to the dipole nature of the distribution of the components of the magnetic field of the cylinder without a defect. They take this line (figure) as a template for this OK. During the movement of the source and receivers of the magnetic field along the cylinder, the changes in the figure are observed on the display screen. According to the deformations of this figure, the places of cylinder defects are detected, and their parameters are estimated.

Перевагами заявленого способу в порівнянні з аналогами і прототипом є простота процедури, обумовлена однотипним переміщенням джерела і сприймачів поля вздовж ОК.The advantages of the claimed method in comparison with analogues and the prototype are the simplicity of the procedure, due to the same type of movement of the source and field receivers along the OK.

Обертове магнітне поле створюється з використанням зсуву фази без механічних обертань (аналогічно відомому обертовому полю статора електричних двигунів).The rotating magnetic field is created using a phase shift without mechanical rotations (analogous to the well-known rotating field of the stator of electric motors).

На відміну від прототипу, за яким для сканування поверхні ОК обертають перетворювач дефектоскопа навколо осі ОК (що потребує кругового доступу до ОК), заявлений спосіб реалізується і за одностороннього доступу до ОК.Unlike the prototype, according to which the defectoscope transducer is rotated around the axis of the OK to scan the surface of the OK (which requires circular access to the OK), the claimed method is also implemented with one-way access to the OK.

Це дає можливість застосовувати заявлений спосіб і для контролю циліндричних виробів (прутків, труб), прикріплених до направляючих поверхонь (конструкцій, стін, жолобців), а також для безконтактного контролю (виявлення дефектів металу) підземних (підводних) сталевих 60 трубопроводів.This makes it possible to use the claimed method for control of cylindrical products (rods, pipes) attached to guide surfaces (structures, walls, gutters), as well as for non-contact control (detection of metal defects) of underground (underwater) steel 60 pipelines.

Джерела інформації: 1. Дорофеев А.Л., Казаманов Ю.Г. Злектромагнитная дефектоскопия. - М.:Sources of information: 1. Dorofeev A.L., Kazamanov Y.G. Electromagnetic flaw detection. - M.:

Машиностроение, 1980. - 232 б. 2. Технічна діагностика матеріалів і конструкцій: Довідн. пос. у 8-м томах / За заг. ред. 3.Т.Mechanical engineering, 1980. - 232 p. 2. Technical diagnosis of materials and structures: Ref. village in 8 volumes / For general ed. 3.T.

Назарчука / Том 4: Електрофізичні методи неруйнівного контролю дефектності елементів конструкцій. Р.М. Джала, В.Р. Джала, І.Б. Івасів, В.Г. Рибачук, В.М. Учанін / за ред. Р.М. Джали. -Nazarchuk / Volume 4: Electrophysical methods of non-destructive control of structural element defects. R.M. Dzhala, V.R. Jala, I.B. Ivasiv, V.G. Rybachuk, V.M. Uchanin / edited by R.M. Jala -

Львів: Простір-М, 2018. - 356 с. 3. Бакунов А.С., Горкунов З.С., Щербинин В.Е. Магнитньій контроль / Под общ. ред. В.В.Lviv: Prostir-M, 2018. - 356 p. 3. Bakunov A.S., Gorkunov Z.S., Shcherbynin V.E. Magnetic control / Pod obsch. ed. V.V.

Клюева. - М.: Изд. дом "Спектр", 2015. - 192 с. 4. ІпПшепсе ої Пе ріре аетесі оп її5 тадпеїйс їеїа / А. М. О2Наїа, М. А. О2Наїа, М. І. Меїпук, В. 1.Klyueva. - M.: Izd. House "Spectr", 2015. - 192 p. 4. IpPshepse oi Pe rire aetesi op iye5 tadpeiis ieia / A. M. O2Naia, M. A. O2Naia, M. I. Meipuk, V. 1.

Ногоп, 0. І. Зепушик // Іптоптаїйоп Ехігасіюп апа Ргосез. 2018. Із5це 46 (122). - Р. 5-10.Nogop, 0. I. Zepushyk // Iptoptaiyop Ekhigasiyup apa Rgosez. 2018. Iz5ce 46 (122). - R. 5-10.

Claims

FORMULA OF THE INVENTION The method of non-contact detection of a defect in a metal cylinder, by which the cylinder is affected by a rotating magnetic field, the means of influence are moved along the cylinder, the resulting magnetic field is observed, and the cylinder defect is detected by its changes, which differs in that the cylinder is affected by a transverse magnetic field, direction (vector) which is rotated relative to the axis of the cylinder with the help of phase-shifted currents, the resulting rotating magnetic field is perceived by two orthogonal receivers that form signals that are monitored on the screen by the distribution of the resulting magnetic field, changes (anomalies) of which detect cylinder defects and evaluate them parameters.