Вихретоковый (электромагнитный) вид

Неразрушающего контроля

Электромагнитный вид неразрушающего контроля основан на анализе взаимодействия внешнего по отношению к объекту контроля электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, возбуждаемых в объекте контроля этим внешним полем. Данный вид контроля часто называют вихретоковым.

Объектами вихретокового контроля (ВТК) являются изделия, выполненные из электропроводящих материалов (металлы и их сплавы, графит, полупроводники). Методы ВТК применяют для выполнения следующих задач:

- дефектоскопия и дефектометрия – выявление и оценка дефектов сплошности материала деталей: трещин усталостного, термического, технологического происхождения: коррозионных поражений, закатов, плён и т. д.;

- толщинометрия и виброметрия – измерение и контроль геометрических параметров изделий: толщины листов, труб и покрытий при одностороннем доступе, диаметра труб, прутков, проволоки, шаров и т. п.;

- структуроскопия – оценка и измерение физико-механических, химических свойств электропроводящих материалов и их структуры, сортировка по маркам контролируемых материалов;

- металлоискание – обнаружение электропроводящих объектов.

На железнодорожном транспорте вихретоковому контролю подвергают цельнокатаные колеса вагонных колесных пар, составные элементы тележек различных моделей, буксовых узлов и ударно-тягового оборудования вагонов и локомотивов, детали экипажной части электровозов, тепловозов и моторных вагонов и т. д. Причем данный контроль возможен не только в условиях изготовления и ремонта, но и в условиях эксплуатации подвижного состава. ВТК пригоден как для немагнитных, так и для ферромагнитных материалов и объектов. Современные средства данного вида контроля могут применяться в широком диапазоне температур, влажности, давления и других параметров окружающей среды.

Отличительные особенности ВТК:

- бесконтактность: контроль может выполняться без непосредственного контакта вихретокового преобразователя (ВТП) и объекта контроля; между ними всегда имеется зазор, достаточный для свободного перемещения ВТП, что способствует достижению высоких скоростей сканирования и, следовательно, высокой производительности контроля; упомянутый зазор образуется неизбежно за счет изоляции обмоток, наличия колпачков, а также из-за возможных загрязнений и защитных покрытий;

- многопараметровость: измерение или контроль при помощи одного и того же прибора путем соответствующей настройки нескольких параметров объекта (например, его диаметра и электропроводности);

- электрическая природа сигнала ВТП, создающая возможность автоматизации процесса контроля;

- малый уровень потребления энергии и уменьшенные массогабаритные показатели оснастки ВТК, отсюда портативность исполнения и технологичность контроля за счет использования технологий микроэлектроники.

Ниже излагаются технические основы ВТК.

3.1. Технологическая схема вихретокового контроля

Первичный сигнал, содержащий измерительную информацию о многих параметрах ОК, получают в вихретоковом преобразователе. Его возбуждающая обмотка, обтекаемая переменным синусоидальным или импульсным током, создает поток внешнего электромагнитного поля, который, проникая в материал детали, создает в ней вихревые токи, создающие встречный электромагнитный поток. Последний, проходя через обмотки ВТП, изменяет его комплексное сопротивление или наводит э. д. с. во вторичной обмотке ВТП. Так формируется сигнал вихретокового контроля, индицируемый импульсами на жидкокристаллическом экране, возбуждением светодиодов или звуковых излучателей.

Природа его электрическая. Но он косвенно дает совокупную оценку свойств контролируемого объекта. Поэтому на конечном этапе обработки этого сигнала, содержащего информативные составляющие о различных параметрах объекта, большинство которых в конкретном случае контроля являются мешающими (помехами), возникает задача селекции, т. е. выделения одного полезного сигнала, например, от несплошности в совокупной информации ВТП об объекте.

Если осуществляется многопараметровый контроль, то из набора этих составляющих выбирается несколько величин, характеризующих качество объекта. Но в любом случае задача селекции решается путем применения специальных схемотехнических и (или) технологических приемов как при разработке средств ВТК, так и в эксплуатации на объектах.

Для выявления дефектов в деталях из электропроводных материалов применяются вихретоковые преобразователи ВТП, описание которых приведено в подразделе 1.10. Более подробно с ВТП можно ознакомиться в [53].

3.2. Сущность вихретокового контроля

Методы вихретокового контроля основаны на законе электромагнитной индукции (М. Фарадей, 1831 г.) Согласно ему во всяком замкнутом проводящем контуре с числом витков при изменении потока магнитной индукции через площадь , ограниченную этим контуром, возникает электродвижущая сила (э. д. с.) индукции

. (2.58)

Знак «–» указывает на то, что уменьшается при возрастании и увеличивается при уменьшении Ф (закон Джоуля-Ленца).

Для всех методов вихретокового контроля электромагнитное поле создается переменным током в возбуждающей обмотке (закон Био-Савара-Лапласа) вихретокового преобразователя. Средой, в которой может наводиться э.д.с. , является металл ОК или любая другая токопроводящая среда, например, контур, составленный витками катушки возбуждения ВТП; в этом случае явление, когда э.д.с. индукции возникает в контуре в результате изменения тока в этом же контуре, называется явлением самоиндукции).

Рассмотрим физические процессы при электромагнитном взаимодействии ВТП в виде накладной однообмоточной катушки, обтекаемой переменным током , с ОК, электропроводящая среда которого по химическому составу и структуре однородна, и сопоставим параметры обмотки (сигналы) при трех следующих ее позициях относительно контролируемой поверхности.

1. Катушка удалена от поверхности ОК (холостой режим) (рис. 2.108, а).

Считаем, что ВТП удален от поверхности объекта контроля настолько, что их электромагнитное взаимодействие не возникает. Обмотка с током «погружена» только лишь в собственное поле . Проходящий по обмотке ВТП переменный ток образует в пространстве вокруг нее переменное магнитное поле возбуждения напряженностью (закон Био-Савара-Лапласа) определенной амплитуды и фазы, значение потока которого внутри окна обмотки равно . Это первичное поле зависит от числа витков катушки, ее размеров и значения тока . На рис. 2.108, а оно показано «мгновенным снимком» и обозначено стрелкой.

В соответствии с законом электромагнитной индукции оно индуцирует в катушке электродвижущую силу самоиндукции , значение которой определяется скоростью изменения потокосцепления витков катушки с магнитным полем:

. (2.59)

где потокосцепление .

Согласно классическим представлениям э. д. с. в цепи с катушкой, возникающая в результате изменения тока в этой же цепи, по отношению приложенного к ней электрического напряжения от генератора имеет противоположный знак (находится в противофазе). Это аналогично появлению в цепи с катушкой дополнительного индуктивного сопротивления: , где – круговая частота переменного тока в катушке, а – частота, измеряемая в герцах. Вектор индуктивного сопротивления по отношению к вектору активного сопротивления смещен на 90º против хода часовой стрелки. В формулах такое смещение векторов обозначается символом мнимой единицы . Тогда в цепи, содержащей обмотку индуктивности, ток испытывает сопротивление . Входящие в эту формулу сопротивления складываются геометрически.

При отсутствии в пространстве, окружающем катушку, ферромагнитных материалов между потокосцеплением и током I катушки имеет место линейная зависимость:

(2.60)

где – коэффициент самоиндукции, называемой собственной индуктивностью или просто индуктивностью катушки.

Активное сопротивление катушки определяется через потери мощности в самом ВТП как , где – ток обмотки возбуждения ВТП, который считают неизменным, т. к. в вихретоковых дефектоскопах она подключается обычно к электронному генератору с большим внутренним сопротивлением.

Таким образом, в холостом режиме (электромагнитное взаимодействие ВТП и ОК отсутствует) параметры катушки составляют: активное сопротивление , индуктивное . Тогда комплексное сопротивление , и напряжение на зажимах катушки . На данной позиции сигналом ВТП является его комплексное сопротивление (рис. 2.108, б).

2. Катушка установлена торцом на поверхность ОК (поисковый режим) в бездефектной зоне (рис. 2.109). Линии магнитного поля возбуждения , охватывая витки, замыкаются через металл ОК, проникая в него на определенную глубину. Если объектом контроля является металлическое кольцо (рис. 2.109, а), то в нем в соответствии с законом электромагнитной индукции будет наведена э. д. с. и пойдет переменный индукционный ток . То же наблюдается, если поместить в поле ВТП бездефектную металлическую деталь: непосредственно под ним в детали во множестве воображаемых замкнутых контуров, соосных с обмоткой ВТП, возбудятся э. д. с. и пойдут токи (рис. 2.109, б). Это и будут вихревые токи, замыкающиеся по окружностям вокруг линий поля, «упирающихся» в металл, т. е. сцепляющиеся с индуцирующим их магнитным потоком . Они зависят от силы тока в обмотке, его частоты и конфигурации объекта контроля.

Взаимодействие возбуждающей обмотки с ОК можно представить эквивалентной схемой воздушного трансформатора, параметры цепи вторичной обмотки которого определяются эквивалентным контуром вихревых токов в объекте контроля (рис. 2.110, а). Как известно, воздушный трансформатор можно представить схемой замещения (рис. 2.110, б), на которой – вносимое в катушку активное сопротивление, обусловленное потерями энергии в результате нагрева ОК вихревыми токами; – вносимая индуктивность, обусловленная изменениями потокосцепления обмотки возбуждения ВТП за счет действия вихревых токов. Поскольку потокосцепление из-за действия вихревых токов изменяется, индуктивность катушки при наличии вблизи нее электропроводящего ОК также изменится. Параметры и зависят от плотности и распределения вихревых токов в объекте контроля.

Рассмотрим закономерности распределения вихревых токов на этой позиции отдельно по поверхности объекта контроля и его глубине от поверхности.

3.2.1. Распределение вихревых токов по поверхности ОК

от накладного и проходного ВТП

Зависимость отношения плотности вихревых токов в любой точке изделия к плотности вихревых токов в поверхностном его слое в точке, расположенной под центром окна обмотки ВТП, от расстояния до оси накладного ВТП и плоскости симметрии проходного ВТП приведены соответственно на рис. 2.111, а и 2.112, а. Здесь и – координаты точки наблюдения, – радиус среднего витка накладного ВТП или внешний радиус цилиндрического объекта контроля. Из рис. 2.111, а видно, что достигает максимума при , при условии, что высота преобразователя значительно меньше и зазор между торцом ВТП и металлической поверхностью изделия равен нулю . При удалении точки наблюдения по радиусу ВТП плотность вихревых токов на поверхности ОК уменьшается, достигая нулевого значения за пределами ВТП. В случае отвода ВТП от контролируемой поверхности значение плотности вихревых токов в каждой точке уменьшается. Таким образом, вихревые токи сосредотачиваются на небольшой площади изделия непосредственно под ВТП, и дефект, расположенный вне этой площади не будет выявлен. При смещении ВТП на другой участок изделия вихревые токи на прежнем месте исчезают, появляясь под ВТП на новом. Это свидетельствует, что вихретоковый контроль является локальным, поэтому ОК необходимо сканировать, чтобы охватить контролем проверяемые зоны. Вихревые токи возбуждаются независимо от того, прижат ли ВТП к поверхности объекта контроля или между ними есть воздушный зазор, слой коррозии или какого-либо защитного покрытия.

3.2.2. Распределение вихревых токов по глубине ОК

от накладного и проходного ВТП

Вихревые токи вызывают также неравномерное распределение напряженности магнитного поля по глубине объекта контроля. Это объясняется тем, что в центральной части его сечения магнитодвижущая сила вихревых токов, направленная навстречу потоку возбуждения , является наибольшей, т. к. эта часть сечения охватывается наибольшим количеством контуров вихревых токов. По своему характеру явление вытеснения магнитного потока аналогично поверхностному эффекту вытеснения тока. В ВТК его называют магнитным поверхностным эффектом. В результате вихревые токи концентрируются в поверхностном слое изделия, расположенном ближе всего к рабочему торцу накладного ВТП или к внутренней поверхности проходного ВТП. Такое вытеснение магнитного потока из середины сечения к его поверхности будет тем сильнее, чем выше угловая частота переменного тока, больше удельная электрическая проводимость и абсолютная магнитная проницаемость материала объекта контроля.

Плотность и распределение вихревых токов зависят от конфигурации контролируемой поверхности и электромагнитных параметров ОК – (См/м) и (Гн/м), а также сплошности его материала и взаимного положения катушки и ОК (углов ее наклона относительно нормали к поверхности, зазора ).

Плотность вихревых токов и возбуждающее их поле, максимальные на поверхности ОК, ослабляются по мере углубления в материал приблизительно по экспоненциальному закону (строго – если электромагнитная волна плоская):

, (2.61)

где и – значения плотности вихревых токов соответственно на произвольной глубине и на поверхности, А/м²;

– глубина, м;

– коэффициент ослабления, 1/м;

– основание натуральных алгоритмов.

На рис. 2.111, б приведены графики для накладного ВТП, характеризующие ослабление вихревых токов в материалах с на одной и той же частоте возбуждения.

На рис. 2.112, б приведен график для проходного ВТП, характеризующий ослабление вихревых токов по мере удаления от поверхности к оси контролируемого цилиндрического изделия.

В практике упрощают данное представление: неравномерное распределение плотности вихревых токов заменяют равномерным, но распространяющимся в теле ОК на некоторую глубину , принимая значение плотности неизменным и равным плотности вихревых токов на поверхности ОК. При таком допущении считают, что в теле на глубинах больше токи отсутствуют. Тогда максимальную глубину проникновения их электромагнитного поля в различные электропроводящие материалы при различной частоте возбуждения накладным ВТП оценивают (рис. 2.112, б) формулой глубины проникновения плоской волны:

, (2.62)

Тогда, подставляя в (2.4) , получаем: .

Глубина проникновения – это расстояние от поверхности ОК до слоя, в котором плотность вихревых токов в е раз меньше, чем на поверхности.

Данная формула дает завышенное значение глубины проникновения, которое тем ближе к истинному, чем больше обобщенный параметр вихретокового контроля :

, (2.63)

где .– обобщенный параметр ВТК;

– радиус среднего витка возбуждающей обмотки накладного ВТП, или наружный радиус цилиндрического объекта контроля, проверяемого проходным ВТП, или эквивалентный радиус обмотки любой другой формы.

Если учесть, что , (Гн/м), (1/с), то

[м] или [см], если [ ] = [См/м]. (2.64)

Обобщенный параметр – безразмерная величина, характеризующая свойства вихретокового преобразователя , электромагнитные свойства материала объекта контроля и режим контроля, обусловленный частотой генератора возбуждающего поля, т. е. величина, учитывающая влияние трех сторон операций контроля на его эффективность. Из формул для и видно, что множество сочетаний значений переменных , , могут привести к одному и тому же ослаблению вихревых токов по глубине, т. к. при различной частоте возбуждения и различных свойствах проверяемых материалов можно иметь одинаковое распределение вихревых токов.

Если глубина поверхностной и подповерхностной несплошности близка к глубине проникновения или больше нее, то такой дефект должен надежно обнаруживаться. Если глубина несплошности значительно меньше , то она может быть не выявлена из-за недостаточной чувствительности дефектоскопа. Несплошность, расположенная глубже слоя, в котором протекают вихревые токи, не выявляется.

Таким образом, поверхностный эффект приводит к неравномерному распределению плотности вихревых токов по сечению ОК. Она неравномерна и в плоскостях протекания вихревого тока: максимальна в кольцевом контуре и равна нулю на оси катушки, но по мере удаления от оси в пределах радиуса возрастает до максимума и за пределами катушки убывает до нуля.

Вихревые токи, как и всякие другие электрические токи, создают свое собственное магнитное поле с напряженностью . Оно вторично, меньше поля возбуждения и в каждый момент времени противоположно (закон Джоуля-Ленца) первичному полю , т. е., являясь ответной реакцией, непрерывно противодействует ему.

Параметры контура вихревых токов непосредственно не могут быть использованы для анализа состояния ОК, поскольку они замыкаются в его токопроводящей среде. Удобнее анализировать их косвенно, по параметрам электромагнитных процессов, которые им сопутствуют, но находятся вне ОК. Такими параметрами являются изменения э. д. с., которая наводится на зажимах обмотки электромагнитным полем (рис. 2.113, а) вихревых токов и всегда направлена, согласно тому же закону Джоуля-Ленца, навстречу приложенному к катушке переменному напряжению , или, изменения собственного полного сопротивления (импеданса) катушки (рис. 2.113, в).

Взаимодействие первичного и вторичного полей приводит к образованию результирующего поля

, (2.65)

т. е. в этой позиции катушка оказалась «погруженной» в электромагнитное поле с новым значением напряженности или магнитного потока , которое изменяет электрические параметры катушки. Если ОК выполнен из немагнитного материала, то магнитное поле вихревых токов уменьшает напряженность первичного поля, если из магнитного – то результирующее поле становится больше , но за счет ферромагнитных свойств ОК. Разделив обе части уравнения (2.65) на , получим

. (2.66)

Величина обусловлена вихревыми токами: она появляется при постановке ВТП на металл ОК, который как бы вносится в поле преобразователя, поэтому и называется вносимой индуктивностью .

Энергия, поступающая из ВТП электромагнитным способом в ОК, уходит на его нагрев, поэтому потери мощности в ВТП состоят из собственных потерь в обмотке (и в сердечнике, если он есть) и потерь на вихревые токи в ОК, т. е.

. (2.67)

Разделив обе части (2.10), получим

. (2.68)

Величина обусловлена ОК и называется вносимым активным сопротивлением .

По диаграмме сопротивлений на комплексной плоскости (рис. 2.113, б) для данного режима видно, что индуктивное сопротивление ВТП уменьшается на величину , а активное – возрастает на величину . Комплексное сопротивление при этом изменяется на величину , который является сигналом ВТП, свидетельствуя о его постановке на металл.

Вычтя на комплексной плоскости (рис. 2.113, б) из индуктивного сопротивления в холостом режиме вносимое индуктивное сопротивление и добавив к активному сопротивлению вносимое активное сопротивление , получим точку на плоскости, которая характеризует комплексное сопротивление , помещенного ВТП на металл ОК с электрической проводимостью .

Изменения активного и реактивного сопротивлений катушки зависит от удельной электрической проводимости и магнитной проницаемости металла, от частоты намагничивающего тока, зазора . Чем больше и , тем в большей степени изменяются параметры катушки, но тем меньше глубина проникновения вихревых токов в металл. Низкочастотные вихревые токи проникают более глубоко, высокочастотные ограничиваются тонким поверхностным слоем.

Позиция – ВТП над дефектом (режим обнаружения дефекта). Если при сканировании под ВТП появляется трещина, то она рассечет замкнутый контур вихревых токов на два обособленных по ту и другую сторону трещины, что условно показано на рис. 2.114, а. Плотность вихревых токов в непосредственной близости к «берегам» трещины и по обе стороны от нее возрастает – действие, аналогичное уменьшению . При этом симметрия, амплитуда и фаза вторичного поля изменяется, изменяется результирующее поле и потери мощности . ВТП оказывается в поле с увеличенным по сравнению с значением .

Наиболее сильные изменения поля вихревых токов проявляется над трещиной. На рис. 2.114, б и в показано положение ВТП симметрично относительно трещины и связанные с этим обособленные контура вихревых токов по ту и другую стороны трещины. Каждый из этих контуров формирует поле направления магнитных потоков которых в полости трещины совпадает с направлением потока возбуждения . Следовательно, будет справедливо выражение

; (2.69)

. (2.70)

Разделив обе части выражения (2.69) на I, а (2.70) на , получим

(2.71)

. (2.72)

Параметры обмотки ВТП снова изменились. Если с увеличением растет, то потери вначале увеличиваются, а затем падают до нуля. Таким же образом и изменяются при увеличении от нуля до бесконечности как для накладных, так и для проходных ВТП. Многовариантность изменения активного сопротивления обусловлена значением произведения (рис. 2.115).

Таким образом, при наличии трещины индуктивность ВТП увеличивается, вносимая индуктивность уменьшается, активное сопротивление ВТП и вносимое активное сопротивление могут увеличиться, уменьшиться или не измениться.

Катушка оказалась в поле с увеличенным по сравнению с значением . Изменение параметров катушки несет в себе информацию о характере дефекта, электромагнитных характеристиках материала и расстоянии до ОК.

Влияние различных свойств ОК и ВТП на вихревые токи, магнитный поток, потери мощности и параметры ВТП наглядно показано в итоговой схеме на рис. 2.116.

Вопросы, изложенные в этом разделе, рассмотрены в [46, 53].

3.3. Сигналы вихретокового преобразователя, годографы

и способы вихретокового контроля

Сигнал ВТП – это э. д. с., напряжение, ток или сопротивление преобразователя, несущий информацию о параметрах ОК и обусловленный взаимодействием электромагнитного поля с ОК (ГОСТ 24289-80).

Он представляет собой комплексную величину, состоящую в случае параметрического ВТП из вносимого активного и индуктивного и сопротивлений (т. е. ), а в случае трансформаторного ВТП – приращений активной и реактивной составляющих вносимого напряжения . Зависимость сигнала ВТП от его параметров объекта (свойств материала детали, ее формы, размеров дефекта, мешающих факторов) и от режима контроля представляют годографом – кривой на комплексной плоскости, прочерченной как бы концом вектора, описывающего изменение сопротивления катушки или напряжения на ней (рис. 2.117). Анализируя годографы, выбирают рабочую частоту, тип и схему ВТП, приемы контроля, обеспечивающие достаточную чувствительность дефектоскопа к выявленным дефектам и максимальную отстройку мешающих контролю факторов.

С целью получения обобщенных зависимостей сигналов ВТП от параметров ОК и режима контроля производят нормирование, Например, сопротивления и делят на , а соответствующие вносимые напряжения на начальное напряжение . Полученные таким образом следующие величины называют нормированными:

(2.73)

Нормированный комплексный сигнал для параметрического и трансформаторного ВТП тогда соответственно выражается

. (2.74)

Нормирование, например, зазора h между эквивалентным витком параметрического ВТП и поверхностью контура 2r_ср производят по формуле 2h/2r_ср = ξ_н.

На рис. 2.117 приведены годографы сигнала накладного ВТП при контроле деталей из немагнитных и ферромагнитных материалов.

Здесь обозначены

и – (2.75)

обобщенные параметры немагнитных и магнитных материалов соответственно, χ – их магнитная восприимчивость. Годограф F(β₀) показан для витка (ВТП), плотно прижатого к детали ( ) из немагнитного материала. Видно, что при увеличении частоты или электропроводности до бесконечности ( ), , а . Сигнал для каждого значения β₀ является максимальным. Отходящие от годографа F(β₀) кривые равных значений β₀ отражают влияние восприимчивости χ, возрастающей от 0 до . В случае (или ) параметр . Максимально вносимое активное сопротивление при контроле ферромагнитного материала больше, чем в случае контроля немагнитного материала, и наблюдается, когда ; максимально достижимая индуктивность принимает значение в 2 раза большее, чем значение индуктивности ВТП в свободном пространстве.

Так же для ферромагнитных материалов: при увеличении σ и μ значение вносимого сопротивления изменяется по крайнему сплошному и штриховым годографам, при больших значениях σ и μ, независимо от величины F(β) ферромагнетика сливается с годографом F(β₀) для немагнитного материала. На рис. 2.118 штриховые кривые являются годографами зазора, а сплошные – годографами равных значений ξ. Площадь, охватываемая годографами как F(β), так и F(β₀), с увеличением зазора ( ) уменьшается. Вместе с этим пропорционально уменьшается и уровень всех сигналов, т. е. дефектоскопирование на больших зазорах затрудняется.

Анализ рис. 2.117 и 2.118 показывает наличие на комплексной плоскости областей, в которых различные годографы пересекаются под углом, близким к 90°, что является признаком возможности легкого разделения сигналов, обусловленных изменениями σ, χ (или μ) или ξ.

На рис. 2.119 приведен годограф накладного ВТП над трещиной детали из немагнитного материала, который показывает значения приростов, вносимых трещиной, полного сопротивления .

На рис. 2.120 показан тот же годограф, но уже для ферромагнитных ОК. Видно, как с увеличением зазора амплитуда сигнала, вносимого трещиной, уменьшается, что необходимо учитывать при конструировании.

Приведенные выше годографы F(b₀) и F(b) описывают сигналы «классических» схем ВТП, имеющих малую чувствительность к дефектам и требующих сложных схем обработки.

На рис. 2.121 показаны годографы влияния обобщенного параметра β, зазора ξ_н, приближений к краю и трещине в ферромагнитной детали накладного ВТП, включенного в послед<