Многопараметровый контроль многослойных структур импульсным вихретоковым методом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Малушин Дмитрий Сергеевич

• Малушин Дмитрий Сергеевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Малушин Дмитрий Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПРИКЛАДНЫЕ МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА

КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР

1.1. Эксплуатационные изменения параметров многослойных материалов

и сред, а также производственные нарушения их структуры

1.1.1. Многослойные среды в области электроэнергетики.

Отложения на поверхности трубок теплообменных аппаратов АЭС

1.1.1.1. Влияние отложений на эксплуатационные характеристики теплообменных аппаратов

1.1.1.2. Физические свойства и химический состав отложений

1.1.2. Многослойные материалы в области машиностроения.

Нарушения структуры промышленных многослойных изделий

1.1.2.1. Нарушения в электропроводящих композиционных материалах

1.1.2.2. Нарушения в биметаллических изделиях

1.2. Методы и аппаратура неразрушающего контроля, применяемые для диагностики многослойных структур

1.2.1. Радиационные, акустические и вихретоковые методы

1.2.1.1. Вихретоковые приборы с импульсным возбуждением поля

1.3. Выводы. Цели и задачи диссертационной работы

ГЛАВА 2. РАСЧЁТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НАКЛАДНОГО ВИХРЕТОКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ, РАСПОЛОЖЕННОГО НАД МНОГОСЛОЙНОЙ СТРУКТУРОЙ

2.1. Динамическая модель системы «преобразователь - объект контроля»

2.1.1. Структурное описание системы «преобразователь - объект контроля»

2.1.2. Качественное описание переходных электромагнитных процессов

в системе при импульсном возбуждении поля

2.1.3. Аналитическое описание переходных электромагнитных процессов

в системе при импульсном возбуждении поля

2.2. Виртуальный прибор PULSE

2.3. Выводы

ГЛАВА 3. МНОГОПАРАМЕТРОВЫЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР В ОБЛАСТИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ

3.1. Многопараметровый контроль трубок теплообменных аппаратов

с электропроводящими отложениями немагнитных и магнитных типов

3.1.1. Определение значений параметров трубки

3.1.1.1. Информативные параметры сигналов-откликов комбинированного вихретокового преобразователя

при контроле параметров металла трубки

3.1.1.2. Алгоритм определения значений параметров трубки

3.1.1.3. Оценка величины методической погрешности

3.1.2. Определение значений параметров немагнитного отложения

на поверхности трубки

3.1.2.1. Информативные параметры сигналов-откликов комбинированного вихретокового преобразователя при контроле параметров немагнитного отложения

на поверхности трубки

3.1.2.2. Алгоритм определения значений параметров

немагнитного отложения

3.1.2.3. Оценка величины методической погрешности

3.1.3. Определение параметров магнитного отложения

на поверхности трубки

3.1.3.1. Информативные параметры сигналов-откликов комбинированного вихретокового преобразователя при контроле параметров магнитного отложения

на поверхности трубки

3.1.3.2. Алгоритм определения значений параметров

магнитного отложения

3.1.3.3. Оценка величины методической погрешности

3.1.3.4. Алгоритм определения значения удельной электрической проводимости материала магнитного отложения

3.2. Последовательность реализации контроля качества

элементов теплообменных систем

3.3. Выводы

ГЛАВА 4. МНОГОПАРАМЕТРОВЫЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР В ОБЛАСТИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

4.1. Многопараметровый контроль качества проводящих покрытий

на проводящих основаниях

4.1.1. Диапазон изменения значений толщины и электропроводности покрытия. Диапазон изменения величины расслоения

4.1.2. Раздельный контроль толщины покрытия и величины расслоения

4.1.3. Алгоритм проведения контроля биметаллических изделий

4.2. Контроль качества слоистых композиционных материалов

4.3. Выводы

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

МНОГОПАРАМЕТРОВОГО КОНТРОЛЯ

5.1. Действующий макет прибора

5.1.1. Импульсный генератор

5.1.2. Измерительная система

5.1.3. Вихретоковые датчики

5.2. Прикладные исследования

5.2.1. Исследование методов отстройки от влияния мешающих факторов

5.2.2. Лабораторные исследования многопараметровой методики

5.2.3. Промышленное применение многопараметровой методики

5.3. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Копии патентов, отзывов, актов использования и внедрения материалов диссертационного исследования

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Определение величины отслоения плакирующего

или антифрикционного покрытия с известными параметрами

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многопараметровый контроль многослойных структур импульсным вихретоковым методом»

Введение

Область применения многослойных структур в современной промышленности чрезвычайно широка. Потребности любого высокотехнологичного производства связаны с необходимостью создания новых материалов, позволяющих снизить вес изделий и одновременно обеспечить их высокую химическую, механическую и коррозионную стойкость. К таким материалам можно отнести слоистые композиционные материалы, изготовленные из электропроводящих компонентов магнитных и немагнитных типов [6, 54, 63], которые, благодаря своим качествам, нашли широкое применение [97] в области лёгкого и среднего машиностроения при изготовлении подшипников скольжения [30, 83, 109], изделий из листового проката с плакирующим покрытием [85] и экранирующих покрытий различных типов, а в области авиационной техники -при изготовлении крыльев, хвостового оперения и элементов фюзеляжа современных летательных аппаратов.

В процессе изготовления или эксплуатации изделий, представляющих собой многослойные структуры (биметаллы, плоские слоистые композиты и др.), в толще материала возможно возникновение несплошностей, областей структурных неоднородностей, среди которых следует выделить: пористость, расслоения [131], коррозионные или усталостные растрескивания [135], участки межслойной коррозии (в частности, питтинговой) или зоны истончения слоёв материала. Нарушение связи слоёв многослойного материала или их частичное разрушение способно привести к резкому снижению прочностных характеристик всего изделия [135]. Классификация, степень эксплуатационной опасности и причины образования дефектов структуры многослойных материалов подробно рассмотрены в работах [65, 145].

После проведённого анализа применимости отдельных методов неразрушающего контроля для определения количественных характеристик описанных нарушений структуры [133, 141] было установлено, что, несмотря на интенсивное развитие новых направлений диагностики, вихретоковые методы

(наряду с акустическими, тепловыми и радиационными) по-прежнему остаются наиболее востребованными. Однако, существующие методики вихретокового контроля [13, 116, 143, 150], как правило, позволяют проводить количественное определение не более 3-х типов нарушений структуры многослойного материала: расслоения, трещины (или пористость) и коррозию, что в ряде случаев, может оказаться недостаточным для комплексного анализа состояния конкретного объекта. Более того, при диагностике многослойных структур, содержащих магнитные слои, предлагаемые методики имеют чрезвычайно ограниченное применение из-за невозможности проведения раздельного определения контролируемых параметров.

Отдельно следует отметить, что в настоящее время, в области контроля качества материалов аэрокосмической отрасли, особое внимание специалистов сосредоточено на развитии методик контроля слабопроводящих слоистых материалов. Это связано с возрастающей популярностью применения при производстве конструкционных материалов титановых сплавов и специальных электропроводящих углепластиков.

Для проведения вихретоковой диагностики изделий из слабопроводящих материалов необходимо применение высокочувствительных измерительных систем с дифференциальными преобразователями. Уровень балансировки измерительных катушек вихретокового преобразователя, во многом, определяет степень чувствительности измерительного тракта в целом. Однако уровень взаимного подавления сигналов измерительных катушек по напряжению у существующих диагностических систем редко превышает значение -60 ёБ.

Таким образом, разработка новых способов многопараметрового неразрушающего контроля качества многослойных композитных материалов в процессе их производства и эксплуатации, а также разработка соответствующей высокочувствительной аппаратуры являются чрезвычайно актуальными задачами.

В рамках настоящего исследования, проблематика контроля качества многослойных структур охватывает вопросы, связанные не только с диагностикой слоистых композиционных материалов, но и с диагностикой отдельных

многослойных проводящих сред, возникающих непосредственно в процессе эксплуатации промышленных объектов энергетической отрасли. В процессе эксплуатации теплообменных аппаратов АЭС, на поверхностях тонкостенных теплообменных трубок может происходить образование электропроводящих отложений магнитных и немагнитных типов. Стенка трубки и слой отложения, находящийся на её поверхности, рассматриваются далее в качестве неоднородной двухслойной структуры.

Необходимость исследования подобных многослойных структур продиктована тем, что наличие коррозионно-активных отложений на поверхностях трубок парогенератора АЭС является одним из основных факторов зарождения и последующего роста коррозионных дефектов. Кроме того, ввиду низких значений коэффициента теплопроводности отложений, их наличие в парогенераторах АЭС является основным фактором резкого снижения энергетической эффективности производства [9, 67].

При этом неразрушающий контроль элементов теплообменного оборудования АЭС затруднён, ввиду того, что наличие у материала отложения магнитных свойств приводит к значительным искажениям измерительных сигналов, получаемых в ходе проведения диагностики [28, 121]. Это является одним из основных факторов снижения достоверности результатов исследования. В настоящее время, ведущими организациями энергетической отрасли нашей страны активно ведутся разработки отдельных методик и компенсирующих мер, направленных на повышение достоверности неразрушающего контроля элементов теплообменного оборудования (парогенераторов АЭС) с электропроводящими отложениями магнитного типа.

Существенный вклад в развитие прикладных технических решений диагностики таких объектов был внесён специалистами кафедры электротехники и интроскопии (Лунин В.П., Чегодаев В.В., Жданов А.Г., Щукис Е.Г. и др.), входящей с 01.07.2019 в состав кафедры диагностических информационных технологий Национального Исследовательского университета «МЭИ». Их работы [57, 58, 137] составляют значительную часть информационной базы

представленного исследования. Авторы делают вывод [5] о необходимости дальнейшего развития методов получения и обработки вихретоковых сигналов для решения задач неразрушающего контроля теплообменного оборудования с отложениями.

Таким образом, разработка новых способов количественного определения эксплуатационных параметров таких многослойных структур как трубки теплообменного оборудования с электропроводящими отложениями магнитного и немагнитного типов, является актуальной задачей неразрушающего контроля в области техногенной энергобезопасности.

В последние годы, в области вихретокового контроля активно велись разработки прикладных диагностических методик, с описанием некоторых из них можно ознакомиться в [25, 27, 71, 93, 94, 104, 105, 108, 142]. Однако, несмотря на это, ряд важнейших практических вопросов, до сих пор остаётся неразрешённым. Авторы последних обзорных публикаций в области вихретокового контроля [143] также приходят к выводу о необходимости повышения информативности диагностики многослойных структур за счёт увеличения числа контролируемых параметров (от четырёх), и увеличения чувствительности вихретокового оборудования, что, в совокупности, позволит выявлять признаки нарушения структуры уже на ранних стадиях их возникновения.

Использование многопараметровой высокочувствительной методики могло бы привести к сокращению прямых и косвенных затрат на проведение неразрушающего контроля многослойных материалов и сред, за счёт повышения скорости процесса контроля и увеличения временных интервалов между плановыми проверками [143].

Повышение информативности вихретокового контроля становится возможным благодаря применению импульсного возбуждения электромагнитного поля [8, 18, 110, 113]. При импульсном возбуждении, вихревые токи, наводимые в объекте контроля в начальный момент времени сосредоточены в его приповерхностной области, и с течением времени постепенно проникают вглубь материала. Таким образом, информация о физических свойствах отдельных слоёв

контролируемого объекта распределена во времени, что позволяет значительно сократить количество мешающих факторов и упростить раздельный контроль отдельных параметров объекта.

Объединяя всё вышесказанное, можно прийти к выводу о том, что задача повышения информативности неразрушающего контроля многослойных структур, независимо от их типа и области применения, а также разработка соответствующей импульсной вихретоковой аппаратуры является чрезвычайно актуальной.

Объект настоящего исследования составляют аппаратные средства и методическое обеспечение диагностики многослойных электропроводящих структур, применяемых в области энергетики и в машиностроении, среди которых следует выделить трубки теплообменных аппаратов АЭС из немагнитных материалов с отложениями магнитных и немагнитных типов, антикоррозионные и антифрикционные биметаллы, многослойные авиационные материалы на основе алюминия, металлополимерные алюмостеклопластики, а также полимерные композиционные слоистые материалы на основе углеродного волокна.

Предмет настоящего исследования представлен способами повышения информативности вихретокового контроля многослойных материалов и сред, основанными на применении алгоритмов практического получения, обработки и интерпретации импульсных дифференциальных одномерных сигналов, и использовании принципов повышения чувствительности и разрешающей способности вихретокового оборудования.

Целью исследования является повышение информативности и достоверности вихретокового контроля многослойных материалов и сред за счёт разработки новых прикладных алгоритмов раздельного количественного определения ключевых физических параметров материала, а также идентификации различных нарушений его структуры.

Для достижения поставленной цели в процессе выполнения диссертационной работы необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести оптимизацию методики расчёта сигнала-отклика накладного комбинированного вихретокового преобразователя, расположенного над поверхностью многослойной электропроводящей среды, содержащей магнитные составляющие (при импульсном возбуждении электромагнитного поля) [61].

2. Реализовать оптимальную компьютерную модель, предназначенную для проведения численного расчёта импульсного электромагнитного поля в кусочно-изотропной электропроводящей среде [61]. Создать базы данных модельных вихретоковых сигналов.

3. В модельных вихретоковых сигналах выявить дополнительные информативные признаки [62, 103], на основании которых может быть построен разветвлённый алгоритм импульсного многопараметрового контроля для каждого типа многослойных структур, включая структуры со слабопроводящими и магнитными составляющими [59, 60, 62, 102, 103, 138].

4. Разработать и создать действующие макеты прибора с наборами вихретоковых датчиков различного типоразмера и назначения, а также изготовить ряд тестовых образцов многослойных материалов и сред с реалистичными изменениями структуры. Провести, с помощью разработанного оборудования, серию лабораторных экспериментов на реальных и имитационных образцах исследуемых объектов контроля [40, 59, 134, 138].

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. Разработана новая комплексная методика, позволяющая решать задачи многопараметрового импульсного вихретокового контроля многослойных материалов и сред, предполагающая построение специальных градуировочных характеристик, основанных на впервые выявленных, в ходе проведённого исследования, дополнительных информативных признаках импульсных дифференциальных вихретоковых сигналов [55, 59, 61, 62, 103, 138].

2. Впервые представлены градуировочные характеристики, полученные для основных типов многослойных материалов и сред, отражающие изменения сразу нескольких ключевых параметров, что позволяет одновременно определять в

явном виде значения величин, раздельный контроль которых ранее представлял существенную техническую проблему.

3. В ходе реализации настоящего исследования, разработано и изготовлено новое оборудование, включающее в себя систему измерительных преобразователей, обеспечивающую, значительное повышение чувствительности, по сравнению с существующими в настоящее время аналогичными техническими средствами, за счёт проведённой минимизации паразитных параметров и оптимизации конструкции. Кроме того, был спроектирован и создан возбуждающий импульсный генератор, выполненный по новой топологии, позволяющей значительно сократить длительность фронта импульса тока возбуждения в преобразователе, по сравнению с существующими импульсными вихретоковыми генераторами, за счёт формирования на выводах возбуждающей катушки напряжения специальной формы.

Теоретическая значимость исследования заключается в том, что представленные технические принципы повышения числа контролируемых параметров, дополняющие теоретическую базу вихретокового неразрушающего контроля, могут быть положены в основу разработки новых технических средств многопараметровой диагностики многослойных материалов и сред в процессе их производства и эксплуатации.

Практическая значимость настоящей работы состоит в том, что предлагаемые алгоритмы многопараметрового импульсного вихретокового контроля, впервые позволяют осуществлять на практике комплексный анализ технического состояния различных многослойных структур, путём раздельного количественного определения толщины их электропроводящих элементов, величины относительной магнитной проницаемости материала отдельных слоёв, локальных изменений значения удельной электрической проводимости (которые могут быть связаны с наличием трещин или пористости в материале, или с присутствием в нём механических напряжений, которые могут предшествовать образованию усталостных трещин [135]), величины расслоения и глубины его залегания в толще многослойного материала [61], размера коррозионных

поражений (включая питтинговую коррозию) на поверхностях отдельных слоёв материала, а также площади пятен межслойного коррозионного поражения.

Разработанные действующие макеты прибора, реализующие предложенные алгоритмы неразрушающего контроля, позволяют, за счёт проведённой оптимизации системы возбуждения и благодаря полученной высокой чувствительности измерительного тракта, осуществлять эффективную многопараметровую диагностику различных многослойных материалов и сред, включая структуры со слабопроводящими и магнитными составляющими.

Внедрение результатов работы было проведено в ряде отечественных предприятий среднего, тяжёлого и точного машиностроения. Получены соответствующие акты внедрения, акты использования материалов диссертации, а также отзывы по результатам совместно проведённых экспериментальных исследований.

В заключении заместителя генерального директора ВНИИАЭС-НТП, директора отделения управления ресурсом АЭС Потапова В.В. отмечено, что ОАО «ВНИИАЭС» предполагает использовать материалы диссертационного исследования при реализации компенсирующих мероприятий с целью повышения достоверности неразрушающего контроля качества элементов теплообменного оборудования АЭС (приложение А, отзыв №1).

В акте внедрения макета прибора в производственный процесс ООО «Диагностика-М» (г. Москва) ведущий научный сотрудник Степанов А.В. и главный конструктор Малясов М.Н. подтверждают, что применение макета прибора, разработанного и изготовленного в рамках проведения диссертационного исследования, позволяет своевременно выявлять утонения слоя свинцовой противорадиационной защиты рентгеновских установок на промежуточных стадиях их сборки (приложение А, акт внедрения №1).

В тексте акта об использовании материалов исследования от АО «Авиаагрегат» (г. Самара) главный инженер Коптев А.А., директор качества Галицкий В.А., а также заместитель главного технолога Масов В.И. утверждают, что применение разработанной в рамках диссертационного исследования

методики многопараметрового контроля качества электропроводящих покрытий на электропроводящих основаниях позволяет сократить прямые и косвенные затраты на проведение работ по осуществлению межоперационного контроля качества внутренних защитных покрытий гильз гидроцилиндров для подъёмно -транспортных средств, дорожной и сельскохозяйственной техники, а также оборудования нефтегазовой отрасли (приложение А, акт использования материалов исследования №2).

В акте внедрения материалов исследования и действующих макетов прибора, от ведущих российских специалистов в области авиационной техники «Центра производства и инжениринга СамГТУ-Авиаагрегат» (г. Самара), комиссия, в составе декана ФММТ СамГТУ, д.т.н. доцента Никитина К.В., профессора, д.т.н., доцента Керова А.В., профессора, д.т.н. Ганигина С.Ю., профессора, д.т.н. Нечаева И.В., сделала заключение о том, что применение разработанной в рамках диссертационного исследования методики позволяет снизить показатели стоимости процесса входного и межоперационного контроля качества композиционных материалов, применяемых в аэрокосмической области, в связи с чем, действующий макет прибора включён в состав диагностического оборудования центра (приложение А, акт внедрения №3).

В отзыве начальника проектно-конструкторского центра «Прочность» публичного акционерного общества «Туполев» (г. Москва) Фёдорова К.А., и ведущего инженера-конструктора Кокурова А.М. утверждается, что результаты совместно проведенных экспериментальных исследований [40, 134] позволяют рекомендовать разработанные принципы, методики и конкретные технические решения в качестве диагностического инструмента при реализации многопараметровой идентификации различных структурных нарушений в новых слоистых слабопроводящих неметаллических композитных материалах различного промышленного назначения (приложение А, отзыв № 2).

Методология настоящего исследования описана далее.

В ходе разработки алгоритма контроля была использована компьютерная модель, реализующая методику расчёта электромагнитного поля [8, 32, 106, 123]

для комбинированного вихретокового преобразователя, расположенного над слоистым полупространством. Полученные численные результаты были сопоставлены с результатами моделирования в программном пакете COMSOL Multiphysics. Для последующей обработки модельных сигналов были применены стандартные методы цифровой обработки сигналов [8, 47, 50, 52, 84] реализованные с использованием таких программных пакетов как MathCAD и Matlab [34, 69, 75, 76, 77].

Для разработки схемотехнических узлов действующих макетов прибора была использована комплексная система автоматизированного проектирования радиоэлектронных средств «Altium Designer». Для разработки конструктивных элементов действующих макетов, включая элементы корпуса и датчиков, был использован программный комплекс «SolidWorks». Отдельные детали были изготовлены методом 3d печати.

Все основные компоненты разработанных алгоритмов диагностики были проверены экспериментально с применением действующих макетов прибора.

Основу информационной базы исследования составляют, прежде всего, достижения научной школы кафедры электротехники и интроскопии Национального Исследовательского университета «МЭИ» в области электромагнитного неразрушающего контроля [16, 17, 18, 19, 20, 35, 36, 51, 57, 58, 71, 92, 137], а также широкие исследования в области вихретокового контроля, описанные другими авторами в периодических и монографических публикациях, изданных как в России, так и за рубежом [8, 25, 26, 37, 48, 49, 93, 94, 96, 106, 107, 118, 126, 143, 144, 146, 147, 148].

Основные положения, выносимые на защиту:

- Система информативных признаков импульсных дифференциальных вихретоковых сигналов, позволяющая повысить информативность и достоверность вихретокового контроля.

- Алгоритмы интерпретации измерительных сигналов при реализации импульсного вихретокового контроля многослойных структур, основанные на применении специальных градуировочных характеристик (плоскостях состояния

объекта контроля), позволяющие повысить количество контролируемых параметров.

- Инженерные принципы конструирования возбуждающих секций и измерительных трактов импульсной вихретоковой аппаратуры, заключающиеся в оптимизации топологии токоведущих частей первичных преобразователей и применении генераторов напряжения специальной формы, направленные на повышение эффективности диагностики слабопроводящих многослойных структур.

Достоверность основных научных положений, выводов и рекомендаций, разработанных в диссертации, подтверждается результатами экспериментов, выполненных на реальных и реалистичных образцах различных многослойных электропроводящих структур [40, 59, 134, 138].

Отдельные результаты диссертационного исследования, а также некоторые разработанные практические решения были апробированы на различных международных научно-практических конференциях [42, 43, 44, 60, 102], а также на всероссийских конференциях [41], проводимых, в частности, на базе Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева Российским обществом по неразрушающему контролю и технической диагностике (РОНКТД). Отдельные материалы диссертационной работы использованы в рамках проведения совместных исследований со специалистами института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН [40, 134], при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 1808-00372 а).

По материалам диссертационного исследования опубликованы статьи в рецензируемых научных изданиях как из перечня, рекомендованного ВАК [40, 59, 61, 62], так и индексируемых в библиографической и реферативной базе данных Scopus [134, 138]. На отдельные компоненты предложенного многопараметрового способа импульсного вихретокового контроля, а также на прибор для его осуществления получены патенты на полезную модель и на изобретение [55, 103]

(приложение А, патентная грамота №1 на изобретение, патентная грамота №2 на полезную модель).

Личный вклад автора заключается в выполнении основной части исследования, соответствующей защищаемым положениям: в разработке модели накладного вихретокового преобразователя, расположенного над поверхностью многослойной среды, в проведении моделирования и разработке системы информативных признаков вихретоковых сигналов, а также в разработке и формировании алгоритмов раздельного определения параметров многослойных структур, содержащих слабопроводящие магнитные составляющие. Автором лично проведено конструирование и создание специального вихретокового оборудования, включая проектирование всех корпусных и электронных узлов, их монтаж и наладку, а также предложены эффективные способы отстройки от влияния ряда мешающих факторов. Разработка и изготовление демонстрационных объектов контроля, составление методик испытаний, проведение внутренних лабораторных исследований было проведено автором лично. Проведение опытно-промышленных испытаний проводилось при непосредственном участии автора.

Представленное исследование соответствует паспорту научной специальности 05.11.13 в большей части формулы специальности, а также в областях исследования специальности 1, 2, 3 и 6 ввиду предложенных усовершенствований вихретокового метода (п.1), разработки и оптимизации методов проектирования приборов с учётом особенностей объектов контроля (п.2), внедрению и испытаниям нового оборудования (п.3), а также ввиду разработанного алгоритмического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля (п.6).

ГЛАВА 1. ПРИКЛАДНЫЕ МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА

МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР

1.1. Эксплуатационные изменения параметров многослойных материалов и сред, а также производственные нарушения их структуры

1.1.1. Многослойные среды в области электроэнергетики.

Отложения на поверхности трубок теплообменных аппаратов АЭС

Наиболее высокие требования к методам неразрушающего контроля предъявляются в области ядерной энергетики ввиду повышенной техногенной опасности её производств.

Почти 15% выработки электроэнергии в мире приходится на долю атомных электростанций, а в ряде отдельных стран, этот показатель может достигать 70% [82], что обуславливает повышенный интерес к решениям в области неразрушающего контроля и оценивания элементов производственного оборудования атомной энергетической промышленности.

Как отмечалось выше, в процессе эксплуатации теплообменных аппаратов АЭС, на поверхностях тонкостенных теплообменных трубок может происходить образование электропроводящих отложений магнитных и немагнитных типов. Стенка трубки и слой отложения, находящийся на её поверхности будет рассматриваться далее в качестве неоднородной двухслойной структуры.

1.1.1.1. Влияние отложений на эксплуатационные характеристики

теплообменных аппаратов

Ключевые аспекты эксплуатации промышленных теплообменных аппаратов рекуператорного типа, применяющихся в составе теплообменного комплекса АЭС подробно рассмотрены в [7, 9, 11, 23, 31, 91, 95]

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Малушин Дмитрий Сергеевич, 2022 год

Источники информации:

1. Патент 2487343 Р; опубл. 10.07.2013.

2. Пат. 143178, опубл. 20.07.2014.

Формула изобретения Устройство вихретокового контроля удельной электрической проводимости магнитных отложений на поверхности труб, содержащее генератор прямоугольных периодических импульсов тока с периодом Тв, выбираемым из условия Тв>ЗЕ.вро(5нмснм+50мс0мргм), где 5% и анм - номинальные значения толщины и электропроводимости металла, 50м, о0м и цгм - максимальные значения толщины, удельной электрической проводимости и магнитной проницаемости отложений, цо -магнитная постоянная, вихретоковый датчик с возбуждающей катушкой, радиус кв которой выбирают из условия 3(5МН+50М)ЖВ> 1,0(5мн+5ом), где 5МН и 50м -номинальная и максимальная толщина стенки трубы и отложений соответственно, измеритель магнитного потока и измерительную катушку, выход генератора прямоугольных импульсов присоединен к возбуждающей катушке вихретокового датчика, измерительная катушка и измеритель магнитного потока через блоки усиления и АЦП подключены к микроконтроллеру, к выходам которого присоединены индикатор толщины отложений и индикатор относительной магнитной проницаемости отложений, отличающееся тем, что оно снабжено моделирующим устройством, двумя блоками нормировки сигналов измерительной катушки и моделирующего устройства, блоком сравнения значений этих сигналов и индикатором электропроводимости, при этом вход моделирующего устройства подключен к одному из выходов микроконтроллера, выход моделирующего устройства подсоединен к первому блоку нормировки, ко второму блоку нормировки подключен выход усилителя исследуемого снгнала, выходы первого и второго блоков нормировки подключены к блоку сравнения, выход которого соединен с индикатором электропроводимости.

Ниже представлена копия патентной грамоты на полезную модель

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

(19)

ни

(11)

143 178Ш) и1

(51) МПК

вот 27/72 (2006.01)

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

СО СО

■ч-

3 ОН

(12) ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ ОПИСАНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ

(21)(22) Заявка: 2013156248/28, 18.12.2013

(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 18.12.2013

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 18.12.2013

(45) Опубликовано: 20.07.2014 Бюл. № 20

Адрес для переписки:

111250, Москва, ул. Красноказарменная, 14, ФГБОУ ВПО "НИУ "МЭИ", НИЧ, патентный отдел

(72) Автор(ы):

Чернов Леонид Андреевич (1Ш), Малушин Дмитрий Сергеевич (1Ш), Лунин Валерий Павлович (1Ш), Пастухов Егор Геннадьевич (КЦ)

(73) Патентообладатель(и): федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВПО "НИУ "МЭИ") (1Ш)

(54) УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ МАГНИТНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ТРУБ ВИХРЕТОКОВЫМ МЕТОДОМ

(57) Формула полезной модели Устройство вихретокового контроля толщины и магнитных свойств отложения на поверхности труб, содержащее генератор прямоугольных периодических импульсов тока, вихретоковый датчик с возбуждающей катушкой, радиус которой выбирают

из условия 3(6М "+80 М)>1*В>1,0(6М н+80 м), где йм н и 60 м, номинальная и максимальная толщина стенки трубы и отложений соответственно, и измерительной катушкой, блок обработки информации сигнала измерительной катушки, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, индикаторы толщины и электропроводимости, выход генератора прямоугольных импульсов присоединен к возбуждающей катушке вихретокового датчика, измерительная катушка присоединена ко входу усилителя, выход усилителя подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя соединен со входом микроконтроллера, к первому выходу микроконтроллера присоединен индикатор толщины отложений, ко второму - индикатор электропроводимости отложений, отличающееся тем, что вихретоковый датчик снабжен измерителем магнитного потока возбуждающей катушки и вихревых токов, устройство снабжено блоком обработки информации измерителя магнитного

потока, период Тв импульсов тока генератора выбирают из условия Тв>3 КвЦо(6н мо"

м+60 мо0 м|ли м), где 6Н м и он м - номинальные значения толщины и электропроводимости

металла, 60 м, «0 м и м -максимальные значения толщины, электропроводимости и магнитной проницаемости отложений, ц0 -магнитная постоянная, к третьему выходу микроконтроллера присоединен индикатор магнитной проницаемости отложения, в

Д) С

Сл> 00

Конец приложения А

Определение величины отслоения плакирующего или антифрикционного покрытия с известными параметрами

На рисунке Б.1 представлены амплитудно-временные зависимости вносимого магнитного потока от биметаллических изделий, обладающих дефектами связи покрытия и основания. Кривые получены при вариации значения величины расслоения между основанием и покрытием от 10 до 300 мкм. Значение толщины покрытия выбрано равным 0.6 мм. Значения удельной электрической проводимости основания и покрытия неизменны и составляют 10 и 15 МСм/м соответственно.

Рисунок Б.1. Зависимость вносимого магнитного потока от величины расслоения

При увеличении расслоения, скорость затухания переходного электромагнитного процесса в системе возрастает. Это связано с тем, что при различных значениях величины расслоения, интенсивность вихревых токов в покрытии и основании также различна в произвольный момент времени, находящийся внутри интервала от до и (рисунок 2.4). Причём с ростом величины расслоения, интенсивность вихревых токов в объекте снижается. Это можно объяснить следующим образом: в первый момент времени после воздействия на объект контроля импульса возбуждения, магнитное поле в материале основания равно нулю. Это связано с тем, что поле возбуждения скомпенсировано полем вихревых токов, сосредоточенных на поверхности покрытия. В последующие моменты времени (?0+ < ? < ^ рисунок 2.4), ввиду постепенного уменьшения вихревых токов в материале покрытия его экранирующее действие также ослабевает. Поэтому магнитный поток в материале основания, являющийся разностью потока затухающих вихревых токов и постоянного потока возбуждения, становится отличным от нуля. Форма кривой магнитного потока, проникающего в материал основания, аналогична форме кривой суммарного магнитного потока, представленного на рисунке 2.4. Этот магнитный поток порождает в материале основания вихревые токи, поле которых сонаправлено с полем затухающих вихревых токов в материале покрытия. При этом интенсивность вихревых токов в материале основания определяется величиной расстояния между плоскостью возбуждающей катушки комбинированного вихретокового преобразователя и верхней поверхностью основания [16]. При увеличении расслоения, это расстояние увеличивается, что приводит к ослабеванию вихревых токов в материале основания, и как следствие к снижению суммарной интенсивности вихревых токов в основании и покрытии исследуемого объекта. Следствием этого является уменьшение длительности переходного электромагнитного процесса.

Следует отметить, что подобные закономерности сохраняются в сигналах и при исследовании объектов с основанием, выполненным из магнитных материалов. Кривые вносимого магнитного потока в объектах с магнитным основанием стремятся к постоянному значению и аналогичны соответствующим кривым, изображённым на рисунке 3.30.

Нормирование каждой кривой производится путём её сдвига в положительную область диаграммы и последующего поэлементного деления массива её значений на величину её максимума, достигаемого внутри интервала ?0+ < t < t\ (рисунок 2.4). Результатом нормирования являются кривые вносимого магнитного потока, стремящиеся к единице в конечной стадии переходного процесса. На рисунке Б.2 представлены нормированные кривые вносимого магнитного потока, полученные для двух разных величин расслоения (10 и 300 мкм), при неизменном значении толщины покрытия (0.6 мм). Толщина основания выбрана равной 3 мм. Значение относительной магнитной проницаемости материала основания выбрано таким, чтобы его магнитное сопротивление было много меньше магнитного сопротивления полупространства, расположенного над его поверхностью [18].

160x10 " 240x10 Время, с

Рисунок Б.2. Кривые вносимого магнитного потока для двух величин расслоения (при одинаковых значениях толщины покрытия)

При увеличении расслоения в объектах с магнитным основанием, длительность переходного электромагнитного процесса также уменьшается. Таким образом, описанные закономерности исследуемых сигналов характерны объектам, как с магнитными, так и с немагнитными основаниями. Поэтому, для упрощения анализа и для наглядности представления результатов расчёта все последующие рассуждения будут производиться для объектов, материал основания которых не обладает магнитными свойствами.

Следует также отметить, что описанные закономерности имеют место и для амплитудно-временного распределения вносимого напряжения. На рисунке Б.3. представлены диаграммы вносимого напряжения, полученные при вариации величины расслоения. Значения удельной электрической проводимости материалов основания и покрытия неизменны и составляют 10МСм/м и 15МСм/м соответственно. Значение толщины покрытия выбрано равным 0.6 мм.

Рисунок Б.3. Зависимость вносимого напряжения от величины расслоения при значении толщины покрытия 0.6 мм

При увеличении расслоения скорость затухания переходного электромагнитного процесса в объекте возрастает. Таким образом, анализ амплитудно-временного распределения сигналов от объекта может осуществляться как по вносимому магнитному потоку, так и по вносимому напряжению. При этом при неизменном значении параметров покрытия, характерным свойством исследуемых сигналов является увеличение скорости затухания переходного электродинамического процесса (в некотором временном интервале) при увеличении расслоения в объекте. Однако ввиду того, что эта особенность не может являться самостоятельным критерием методики, в качестве информативного параметра сигнала выбрано значение длительности импульса вносимого потока или вносимого напряжения, измеряемые по заданному уровню их амплитуды.

На рисунке Б.4 представленные временные диаграммы вносимого магнитного потока, полученные при вариации величины расслоения в объекте от 10 до 300 мкм при толщине покрытия 0.6 мм, а также отдельно представлен участок графика, соответствующий области максимального расхождения кривых.

Рисунок Б.4. Кривые вносимого магнитного потока при вариации величины расслоения

Область максимального расхождения кривых соответствует временному промежутку приблизительно от 10 до 50 мкс. Поэтому определение длительности импульса необходимо производить внутри этого временного интервала. При этом оптимальный уровень вносимого магнитного потока, по которому производится определение длительности исследуемого импульса, соответствует значению около 34% от величины размаха импульсов. Следует отметить, что выбор этого значения во многом определяется диапазоном изменения величин параметров исследуемых биметаллических объектов и может быть определён в ходе проведения соответствующего моделирования.

На рисунке В.5 представлена область максимального расхождения кривых вносимого магнитного потока для двух значений толщины покрытия (0.3 и 0.6 мм) при вариации величины расслоения от 10 до 300 мкм.

26x10 34x10

Время, с

Рисунок В.5. Зависимость вносимого магнитного потока от значений толщины покрытия и величины расслоения

С уменьшением значения толщины покрытия, длительность импульса вносимого магнитного потока также уменьшается. Это связано с тем, что при уменьшении толщины покрытия интенсивность вихревых токов в нём также снижается [18].

На рисунке Б.6 представлены градуировочные кривые, отражающие зависимость длительности каждого из импульсов вносимого магнитного потока (рисунок Б.5) от величины расслоения, построенные для различных значений толщины покрытия (0.3 и 0.6 мм).

2 27x10"6 ^

о е-

0 с

с и.

1 24x10 0

О О X сс Й о

Л

ёГ 21x10" ^

2 =

.0 -

о

о =

-Е -6

§ 18x10

= 0x10° 50x10° 100x10° 150x10° 200x10° 250x10° 300x10° 350x10°

£

Величина расслоения, мкм

Рисунок Б.6. Градуировочные кривые (по вносимому магнитному потоку) для определения величины расслоения в исследуемом объекте

По представленным градуировочным кривым, можно проводить определение величины расслоения в объектах с покрытиями различной толщины (0.3 и 0.6 мм). Зная значение толщины покрытия (определение толщины проводится в соответствии с методикой, описанной в разделе 3.1.1.), необходимо определить величину длительности импульса вносимого магнитного потока, измеренную по уровню 34 % от величины его размаха.

Аналогичные градуировочные плоскости, построенные для значений вносимого напряжения, представлены на рисунке Б.7. Каждая из кривых отражает зависимость длительности импульса вносимого напряжения (рисунок Б.3) от величины расслоения при различных значениях толщины покрытия (0.3 и 0.6 мм).

•--, >- М

» » » Толщина покрытия 0.3мм И 1 Толщина покрытия 0.6мм 1 1

к

св X

о и

о -

к

о о

X

аз Й

О *

с

я

л -

и

0

1

*

н к

£

Величина расслоения, мкм

Рисунок Б.7. Градуировочные кривые (по вносимому напряжению) для определения величины расслоения в исследуемом объекте

Таким образом, при известных и неизменных значениях толщины покрытия, а также при известных и неизменных значениях удельной электрической проводимости материалов покрытия и основания, с помощью градуировочных кривых, изображённых на рисунках Б.6 и Б.7 можно делать однозначные выводы о величине структурных неоднородностей в биметаллических изделиях.

7.5x10

7.25x10

-б

7x10

-6

6.75x10

-6

6.5x10

-б

6.25x10

-6

6x10

-б

III Толщина покрытия 0.3мм III Толщина покрытия 0.6мм 1 1

0 50 100 150 200 250 300 350

Конец приложения Б