Разработка матричных преобразователей магнитного поля применительно к неразрушающему контролю ферромагнитных изделий и сварных соединений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.11, доктор технических наук Шлеенков, Александр Сергеевич

• Шлеенков, Александр Сергеевич
• доктор технических наук
• 1998

Оглавление диссертации доктор технических наук Шлеенков, Александр Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ.

1.1. Характерные дефекты и методы их обнаружения.

1.2. Магнитное поле дефекта как источник информации для магнитной дефектометрии.

1.2.1. Решение прямой задачи магнитостатики.

1.2.2. Определение параметров дефектов по экспериментальным данным.

1.3. Методы восстановления магнитного поля и их применение в магнитной микроскопии, томографии и диагностике.

1.4. Основные методы регистрации магнитного поля.

1.5. Сравнительный анализ матричных преобразователей магнитного поля.

1.6. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на совершенствование матричных преобразователей магнитного поля.

1.6.1. Получение тонких ферромагнитных пленок и их магнитные свойства.

1.6.2. Проблема совершенствования магниточувствительных элементов для матричных преобразователей.

1.7. Обзор методов автоматизации магнитного контроля.

Цели и задачи.

2. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ МЕТОДА ВОССТАНОВЛЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К МАГНИТНОЙ

ДЕФЕКТОСКОПИИ.

2.1. Оптимизация расположения датчиков на примере восстановления магнитного поля заряженной нити.

2.2. Исследование расположения МЭ на примере восстановления магнитного поля диполя.

2.3. Восстановление магнитного поля дефекта.

2.4. Исследование возможности определения параметров дефектов типа нарушений сплошности ферромагнитных изделий.

2.5. Определение параметров трещины по экспериментальным данным.

2.6. Восстановление магнитостатических полей рассеяния в ограниченной области.

2.7. Анализ возможных принципов построения систем магнитной микроскопии, томографии и диагностики с использованием матричных преобразователей высокого разрешения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка матричных преобразователей магнитного поля применительно к неразрушающему контролю ферромагнитных изделий и сварных соединений»

Магнитные и электромагнитные методы неразрушающего контроля (НК) находят широкое применение в различных отраслях промышленности, успешно конкурируя с ультразвуковыми и радиационными методами благодаря возможности бесконтактного съема информации, высокой скорости контроля и безопасности в радиационном отношении.

Эти достоинства особенно важны в нынешней ситуации, когда остро стоит вопрос о сплошной автоматизации НК, а условия проведения НК зачастую далеки от идеальных (высокие температуры контролируемой поверхности, вибрация, скорость движения изделий в потоке и т.д.).

В последнее время в магнитной дефектоскопии наметилась тенденция к использованию матричных (многоэлементных) преобразователей, позволяющих осуществлять визуализацию магнитного поля объекта контроля. Фактически речь идет о замене ненадежного механического сканирования зоны контроля электронным сканированием, преимущества которого очевидны.

Несмотря на большое число публикаций в области разработки систем визуализации магнитных полей (библиография дана, например, в [1]), практическое применение эти системы нашли только в магнитографии [2, 3]. Проблема же изготовления магнитоте-левизионных дефектоскопов с матричными преобразователями [1] удовлетворительного решения до сих пор не получила. Об этом говорит тот факт, что средства дефектоскопии с матричными преобразователями существуют пока лишь в одиночных экземплярах, и их технические характеристики далеки от промышленных требований [4].

Анализ возникшей ситуации указывает, по крайней мере, на две причины, препятствующие применению матричных преобразователей. Это, во-первых, сложная технология их изготовления, основанная на применении ручного труда, и связанные с ней сложности получения преобразователей с идентичными характеристиками (как в пределах самой матрицы, так и между матрицами), а во-вторых, стремление разработчиков создавать матричные сенсоры на старой элементной базе — на основе известных ранее магни-точувствительных элементов (МЭ) — с использованием традиционных для цифровой техники решений без учета специфики магнитной дефектоскопии.

Все это тормозит дальнейшее развитие процесса автоматизации методов магнитной дефектоскопии. Устранение указанных недостатков требует разработки новых физических принципов измерения магнитного поля, которые позволили бы создавать твердотельные матричные и линейные преобразователи (сенсоры) на базе современных достижений полупроводниковой и магнитной микроэлектроники. Актуальность работ в указанном направлении очевидна в связи с необходимостью решения важных научно-технических задач — организации высокоэффективного скоростного контроля газонеф-тепроводных, а также насосно—компрессорных труб нефтяного сортамента в технологическом потоке завода — изготовителя и в процессе эксплуатации. До сих пор отечественной промышленностью не налажен выпуск приборов для магнитной дефектоскопии всего тела трубы, включая сварной шов и околошовную зону (в случае НК электросварных труб), обеспечивающих чувствительность контроля в соответствии с требованиями стандартов ASTM, API и DIN. Применение матричных преобразователей типа интеллектуальных сенсоров [5] делает эту проблему принципиально разрешимой.

Другой важной задачей машиностроения, металлургии, трубопроводного транспорта, энергетики и других отраслей промышленности является оценка фактического состояния различных деталей, узлов и конструкций из ферромагнитных материалов, а также сварных соединений на основе расчета остаточного ресурса работоспособности поврежденных мест. Проведение таких расчетов требует знания количественных характеристик геометрических параметров дефектов, что предполагает применение метода компьютерной томографии как метода диагностики внутренней структуры объектов контроля [6] по измеренному над его поверхностью пространственному распределению магнитного поля (то есть магнитной томографии). Необходимо отметить, что при практической реализации концепции магнитной томографии есть серьезная опасность того, что даже удачные теоретические решения обратной задачи (03) магнитной дефектоскопии не смогут быть реализованы на практике из—за недостаточно высокой точности измерений. Иными словами — для исследования магнитных полей микродефектов необходимы преобразователи микроминиатюрных размеров. Современные методы нанотехнологии могут позволить изготовить матричные преобразователи с магниточувствительными элементами субмикронных размеров, если предложить соответствующие физические принципы.

Прямым результатом создания твердотельных матричных преобразователей с необходимыми геометрическими параметрами и метрологическими характеристиками может быть создание компьютерных систем магнитной микроскопии и томографии, а также определение остаточного ресурса работоспособности изделий ответственного назначения.

Данная работа выполнена на стыке нескольких областей науки и техники: магнитной дефектоскопии, полупроводниковой и магнитной микроэлектроники, электротехники, вычислительной техники, математического моделирования.

Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения и приложений.

Заключение диссертации по теме «Физика магнитных явлений», Шлеенков, Александр Сергеевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В результате теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в настоящей работе, решена важная научно-техническая задача - разработаны новые физические принципы измерения напряженности магнитного поля и теория магниточувстви-тельных элементов (МЭ) , на основе которых изготовлены по интегральной технологии матричные преобразователи высокого разрешения, являющиеся базой для построения систем магнитной микроскопии, томографии и диагностики, основанных на применении методов восстановления магнитных полей рассеяния, а также созданы быстродействующие компьютерные и автоматизированные системы для объемно-шовной магнитной дефектоскопии электросварных и горячекатаных газонефтепроводных и насосно-компрессорных труб в технологическом потоке и в процессе эксплуатации.

1. Применение методов восстановления магнитных полей дефектов позволяет существенно повысить точность и информативность методов магнитной дефектоскопии, оптимизировать расположение МЭ и одновременно дает возможность получать новые косвенные информативные признаки, содержащие сведения о параметрах источника магнитных возмущений. Для получения необходимой информации МЭ (реальные или "воображаемые") следует располагать на окружности, а для восстановления полей рассеяния от дефектов внутри окружности целесообразно пользоваться отрезком ряда гармонических полиномов n р(г, у/) = (Л/" COS nx¡/ + Bnrn sin п ц/),

И=1 коэффициенты разложения которого А„ и Вп и их комбинации существенно зависят от формы и геометрических параметров дефектов.

2. Для повышения точности определения параметров дефекта оптимальной является такая организация измерительного процесса, когда первичная информация, получаемая с помощью микроминиатюрных матричных преобразователей высокого разрешения, в дальнейшем используется для многократного вычисления коэффициентов Ап и Вп при пространственном перемещении "воображаемых" центров наблюдения относительно поверхности ферромагнитного изделия. В результате объем информации существенно возрастает, что увеличивает вероятность успешного решения обратной задачи магнитной дефектоскопии и дает возможность рассмотреть в первом приближении возможные принципы построения систем магнитной микроскопии, томографии и диагностики, основанных на методах восстановления магнитных полей рассеяния.

3. Внешнее (измеряемое) магнитное поле влияет на нестационарные процессы, протекающие в электрических цепях с нелинейной индуктивностью, таким образом, что его напряженность может быть измерена с помощью МЭ, принцип работы которых основан на анализе параметров переходных процессов. Получены аналитические зависимости, аппроксимирующие передаточные характеристики МЭ с линейно и экспоненциально возрастающим активным сопротивлением, а также элементов на основе нелинейного колебательного контура, которые показали их определенные преимущества по сравнению с ранее известными МЭ. По основным параметрам они не уступают феррозондам, а по диапазону регистрируемых полей значительно превосходят их (до 300 А/см при работе в линейном режиме и более 500 А/см - в нелинейном). При этом они более технологичны в изготовлении и удобны для объединения в матричные преобразователи.

4. Предложена математическая модель процесса безгистерезисного перемагничи-вания тонкой ферромагнитной пленки поперечным импульсным полем в присутствии постоянного поля, которая доказывает возможность измерения напряженности магнитного поля с помощью тонкопленочных МЭ, которые могут быть изготовлены по интегральной технологии. Получены аналитические выражения, описывающие ЭДС тонкопленочного феррозонда с поперечным импульсным возбуждением от величины внешнего (измеряемого) магнитного поля, магнитных и геометрических параметров магнитной пленки. Это позволило определить условия оптимизации параметров МЭ для однокристальных матричных преобразователей. Показана возможность существенного расширения диапазона измерений магнитных полей, и разработаны конкретные схемы реализации МЭ на основе рассмотренной модели.

5. На основе явления анизотропии магнетосопротивления в ферромагнитных пленках созданы высокочувствительные МЭ интегрального исполнения. Получены аналитические зависимости, связывающие выходной сигнал преобразователя с величиной внешнего (измеряемого) магнитного поля, которые позволили установить, что на положение экстремумов этих зависимостей не влияют величина и направление суммарного магнитного поля, действующего на пленочный элемент при любом наклоне оси легкого намагничивания (ОЛН). Разработана методика расчета тонкопленочного МЭ, позволяющая определить, исходя из заданного диапазона измеряемых полей и интервала рабочих температур, необходимые размеры пленочных обмоток, толщину подложки и изолирующих слоев, величины длительностей и амплитуд возбуждающих импульсов.

6. С учетом результатов исследований и разработанных рекомендаций осуществлен синтез оптимальных с точки зрения применения различных типов МЭ (феррозондов с поперечным импульсным возбуждением, преобразователей на переходных процессах, а также основанных на явлении анизотропии магнетосопротивления) конструкций матричных (многоэлементных) преобразователей и электронных схем, обеспечивающих их эффективную работу.

7. На основе 256-элементного матричного преобразователя, изготовленного по интегральной технологии, создана компьютерная система для визуализации магнитного рельефа от различных источников магнитного возмущения с наибольшим пространственным разрешением 200 мкм (имеется в виду локализация магнитных полей рассеяния), которая позволяет в режиме остаточной намагниченности получать изображение полей трещин микронных размеров. Применительно к магнитной дефектоскопии это соответствует уровню разрешения, принятому для систем магнитной микроскопии. Для повышения разрешающей способности предложена конструкция двухкомпонентного матричного преобразователя с МЭ микронных размеров.

8. Осуществлена разработка, испытание и промышленное применение установок магнитной дефектоскопии (УМД) прямошовных и спиральношовных электросварных га-зонефтепроводных труб в технологическом потоке. В настоящее время в промышленности успешно работают около 20 установок типа УМД. По заключению специалистов Север-ского и Альметьевского трубных заводов, осуществляющих их промышленную эксплуатацию с 1987 года, эти установки надежны и просты в обращении. По оценкам специалистов немецкой фирмы "Тюф" и американской API установки УМД отвечают требованиям стандартов ASTM, API, DIN, и их применение в технологическом потоке Северско-го трубного завода послужило основанием для выдачи сертификата API на систему качества при производстве электросварных труб.

9. Создание интеллектуальных сенсоров, включающих в себя тонкопленочные МЭ и специализированную микросхему, в которой реализована функция измерения поля и оптимальной обработки сигнала на фоне помех, позволило впервые применить на практике объемно-шовный дефектоскоп, обеспечивающий возможность магнитной дефектоскопии всего тела газонефтепроводных электросварных труб, включая сварной шов и околошовную зону, а также компьютеризированную систему магнитной дефектоскопии на-сосно-компрессорных труб (НКТ), применяемых в нефтедобывающей отрасли.

В период с 1987 по 1997 годы разработаны, испытаны и применены в различных отраслях промышленности более 30 установок и приборов НК. Практически все они и в настоящее время эксплуатируются на таких крупных промышленных предприятиях как Первоуральский новотрубный завод, Альметьевский трубный завод, Магнитогорский металлургический комбинат, ОАО "УралЛУКтрубмаш" и др. (см. приложение 2).

7.7. Заключение

Применение матричных преобразователей в совокупности с микропроцессорной техникой открывает широкие возможности для построения систем визуализации и измерения пространственно неоднородных полей, создания на их основе нового поколения программно-управляемых магнитных дефектоскопов с высокими метрологическими, эксплуатационными и эргономическими характеристиками, с возможностью адаптации к изменению условий и объектов контроля. Работа матричных преобразователей совместно с персональным компьютером позволяет накапливать базу данных о различных типах несплошностей, что в дальнейшем может быть использовано для отработки алгоритмов классификации и распознавания [259, 265, 269, 273, 275, 281].

Синтезированный 256-элементный однокристальный матричный преобразователь позволяет оперативно получать с высокой точностью магнитный рельеф на поверхности ферромагнитного изделия, на основании которого можно сделать заключение о наличии микротрещин, раскрытие которых составляет единицы мкм. Применительно к магнитной дефектоскопии это соответствует нижнему уровню разрешения, принятому для систем магнитной микроскопии. Для повышения разрешающей способности требуется создавать матричные преобразователи с МЭ микронных размеров, либо использовать методы, рекомендованные в разделе 2 [254,262, 263, 269,273, 275].

Использование многоэлементных преобразователей на переходных процессах позволило впервые успешно решить проблему бесконтактного высокоскоростного магнитного контроля качества шва спиральношовных и прямошовных электросварных труб в технологическом потоке. Благодаря разработанному новому принципу измерения магнитных полей и специальной селекции сигналов удалось достичь достаточно высокой плот

2.5 + 0.5 Н н~ для остальных поддиапазонов, ности сканирования и выделить на фоне помех от шва, внутреннего грата и структурных неоднородностей полезный сигнал, несущий информацию о наличии трещин, слипаний, непроваров и других опасных нарушений сплошности сварного шва. АО "Северский трубный завод" получило сертификат API на систему качества при производстве электросварных труб. Установки магнитной дефектоскопии Института физики металлов типа УМД по оценкам специалистов немецкой фирмы "Тюф" и американской API, проводивших сертификацию, отвечают требованиям зарубежных стандартов, и их применение в технологическом потоке Северского трубного завода послужило основанием для выдачи сертификата [254, 264, 270, 272, 274, 277].

Большие перспективы открываются при применении методов интегральной технологии для создания интеллектуальных сенсоров, включающих в себя тонкопленочные МЭ и специализированную микросхему, в которой реализована функция измерения поля (см. раздел 5) и оптимальной обработки сигнала на фоне помех. На их основе создан объемно-шовный дефектоскоп, который обеспечивает возможность магнитной дефектоско-ции всего тела электросварных труб, включая сварной шов и околошовную зону. Поскольку размеры МЭ чрезвычайно малы, и расположены они достаточно близко к поверхности трубы, дефектоскоп позволяет выявлять такие тонкие дефекты как слипания и уверенно фиксировать протяженные дефекты типа трещин, нескозных непроваров, смещений кромок и утонений шва высотой более 10% от толщины стенки трубы, а также протяженные дефекты основного металла высотой более 4% от толщины стенки и объемные дефекты, сравнимые со сверлением диаметром 0.79 мм [271, 292].

Интеллектуальные сенсоры использованы также при создании компьютеризированной системы для магнитной дефектоскопии насосно-компрессорных труб, применяемых в нефтедобывающей промышленности. В отличие от известных решений в ней обеспечивается надежное выявление как эксплуатационных дефектов, так и дефектов заводского изготовления, имеющих часто продольную ориентацию. В связи с этим система может быть с одинаковым успехом применена не только на трубных базах в линиях восстановления НКТ, но и в технологическом потоке их производства на заводах-изготовителях. Система позволяет выявлять в соответствии с требованиями ASTM различно ориентированные линейные и объемные дефекты на фоне следов от трубных ключей и спайдеров [292].

Достоверность обнаружения и определения параметров эксплуатационных дефектов в значительной мере зависит от условий их формирования. Так, интенсивность магнитных полей рассеяния эксплуатационных дефектов газопроводных труб зависит от уровня и характера механических нагрузок в процессе эксплуатации. С помощью магнитных методов возможно определение геометрических параметров эксплуатационных дефектов, что важно с точки зрения прогнозирования остаточного ресурса работоспособности изделий [266, 267].

Для контроля режимов намагничивания и исследования топографии магнитных полей в цеховых или полевых условиях рекомендуется применять разработанный на основе результатов настоящей диссертационной работы широкодиапазонный магнитометр ИФМ/Ф-2М, который обеспечивает возможность расположения МЭ на расстоянии 0.5 мм от поверхности изделий [282, 283].

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Шлеенков, Александр Сергеевич, 1998 год

1. Абакумов A.A. Устройство преобразователей для визуализации магнитного поля. — Дефектоскопия, 1984, № 1, с. 3 — 13.

2. Козлов B.C., Кузнецов Н.И., Голант Ю.Ш. Визуализация результатов дефектоскопии на цветном телевизионном экране. — Дефектоскопия, 1982, № 8,с. 61-69.

3. Жолнерович O.A., Хайт А.Д. Магнитотелевизионный дефектоскоп МТД — ЗЛП. Дефектоскопия, 1980, № 7, с. 28 - 33.

4. Вильданов Р.Г., Шкарлет Ю.М., Абакумов A.A., Баширов М.Г. Магнитотелевизионный дефектоскоп для контроля качества крупногабаритных изделий. — Дефектосокпия, 1988, № 9, с. 84 — 85.

5. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник/ В.В.Клюев, Ф.Р.Сос-нин, В.Н.Филиппов и др. Под ред. В.В.Клюева. — М.: Машиностроение, 1995, 488 с.

6. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я., Тимонов A.A. Математические задачи компьютерной томографии. — М.: Наука, Гл. ред. физ—мат. лит., 1987.— Проблемы науки и технического прогресса, 160 с.

7. Экономика трубной промышленности/Л.И.Спиваковский, А.Г.Бонгорт, А.М.Гуревич. — М.: Металлургия, 1967, 416 с.

8. Алферова Б.А., Рудой B.C., Богданова П.М., Млинарич Б.А. Сплавы и стали для труб и трубных изделий — Сб. статей по теории и практике трубного производства — Днепропетровск: ВНИТИ, 1968, с. 34 — 52.

9. Горячая прокатка и прессование труб/Ф.А.Данилов, А.З.Глейберг, В.Г.Бала-кин. — М.:Металлургия, 1972.

10. Денель А.К. Дефектоскопия металлов. — М.: Металлургия, 1972, 304 с.

11. Ермолов И.Н. Методы ультразвуковой дефектоскопии. — Курс лекций, ч. 1, Московский горный институт, 1966, 267 с.

12. Ермолов И.Н. Физические основы эхо и теневого метода ультразвуковой дефектоскопии. — М.: Машиностроение, 1970, 107 с.

13. ШрайберД.С. Ультразвуковая дефектоскопия,—М.: Металлургия, 1965, 311 с.

14. Герасимов В.Г. Электромагнитный контроль однослойных и многослойных15