Устройство для продольного намагничивания и магнитографический контроль сварных соединений

Кудинова.docx

TOC o "1-3" h z u 1 Общая часть PAGEREF _Toc325603898 h 5
1 Характеристика объекта контроля. Постановка задачи проектирования PAGEREF _Toc325603899 h 5
2 Дефекты возникающие в контролируемых зонах объекта и их влияние на свойства сварных соединений PAGEREF _Toc325603900 h 5
3 Обоснование выбора метода контроля PAGEREF _Toc325603901 h 8
4 Анализ литературных источников с целью выбора способа контроля. PAGEREF _Toc325603902 h 10
Разработка оборудования для контроля PAGEREF _Toc325603903 h 21
1 Анализ литературных источников с целью разработки или модернизации оборудования для контроля PAGEREF _Toc325603904 h 21
2 Компоновка оборудования для контроля PAGEREF _Toc325603905 h 26
3 Расчет электромагнита намагничивающего устройства PAGEREF _Toc325603906 h 26
4 Разработка оборудования для контроля. Описание устройств и принципа их действия PAGEREF _Toc325603907 h 34
Разработка методики контроля PAGEREF _Toc325603908 h 35
Метрологическое обеспечение средств контроля PAGEREF _Toc325603909 h 38
Мероприятия по охране труда PAGEREF _Toc325603910 h 40
Заключение PAGEREF _Toc325603911 h 42
Список литературы PAGEREF _Toc325603912 h 43
Магнитографический метод – это метод магнитного неразрушающего контроля основанный на записи магнитных полей объекта контроля на магнитный носитель с последующим воспроизведением сигналограммы [1]. Применяется для контроля сплошности сварных швов трубопроводов в технологическом цикле поточного производства. При проведении этого метода контроля магнитную ленту сначала размагничивают затем; накладывают с небольшим натягом наконтролируемый сварной шов прижимают к поверхности детали резиновым поясом а затем намагничивают. Намагничивание осуществляют путем перемещения электромагнита вдоль сварного шва. Участки детали и магнитной ленты находящиеся между полюсами электромагнита подвергаются воздействию намагничивающего поля. Магнитные поля рассеяния над дефектами создают дополнительное местное подмагничивание прилегающих участков магнитной ленты и оставляют на ней след в виде местной остаточной намагниченности ее рабочего магнитного слоя [2].
Визуальное представление записанных на магнитную ленту полей рассеяния основано на преобразовании магнитными головками дефектоскопа магнитного поля в электрические сигналы которые в свою очередь преобразуются в изображение на экране электроннолучевой трубки в виде импульсной и яркостной индикации. По яркостной индикации определяются форма и размеры дефекта а по амплитуде импульса – его примерная глубина в процентах от толщины контролируемой детали [3].
Целью данной курсовой работы является развитие навыков самостоятельной творческой работы на основе знаний полученных при прохождении лекционного и лабораторного курса "Приборы и методы электромагнитного контроля".
1 Характеристика объекта контроля. Постановка задачи проектирования
В данной курсовой работе нужно разработать устройства и методики контроля сварных швов тонкостенных труб свариваемых на охлаждаемой медной подкладке.
Материал объекта контроля – стальСт 3.
Толщина стенки контролируемого изделия 4 мм.
В качестве объекта контроля выступает продольный сварной шов трубы диаметром 400 мм длиной 600 мм.
2 Дефекты возникающие в контролируемых зонах объекта и их влияние на свойства сварных соединений
Дефекты оказывают большое влияние на прочность сварного соединения и нередко являются причиной преждевременного разрушения сварных конструкций. Для правильной отбраковки и оценки качества сварных швов и соединений в целом необходимо знать влияние дефектов на свойства сварных соединений т. е. иметь критерии оценки их качества.
Критериями при оценке качества сварных соединений являются виды дефектов размеры дефектов и расстояние между ними количество дефектов на определенной длине сварного шва определяемые в соответствии с условиями эксплуатации сварных соединений. Опасность дефектов для сварных соединений зависит от ряда конструктивно-эксплуатационных факторов и собственных характеристик дефектов. К собственным характеристикам дефектов относятся форма дефектов ориентировка и расположение дефектов в поле напряженного состояния относительная величина и относительная суммарная площадь дефектов. Наиболее опасны дефекты сильно вытянутые с острыми краями (трещины непровары) менее опасны дефекты округлой формы (поры включения). Форма дефекта оказывает особенно сильное влияние при переменных нагрузках. Ориентация дефекта существенно влияет на прочностные свойства сварных соединений. Наиболее опасны дефекты ориентированные перпендикулярно растягивающим напряжениям менее опасны дефекты ориентированные параллельно растягивающим напряжениям.
Рассмотрим основные виды дефектов возникающих при сварке плавлением.
Поры – это газовые пустоты в металле шва. Газовые поры образуются в результате перенасыщения жидкого металла газами которые не успевают выйти на поверхность во время его быстрой кристаллизации и остаются в нем в виде пузырьков. Размер внутренних пор колеблется от нескольких микрометров до 2-3 мм в диаметре. Поры могут быть распределены в шве в виде отдельных включений в виде цепочки по продольной оси шва или отдельными группами. Поры если их суммарная площадь в сечение шва составляет 5-10 % практически не влияют на статическую прочность соединения. Для конструкций работающих в условиях статического нагружения допускается площадь пор не более 7% расчетного сечения шва а для конструкций работающих при вибрационных нагрузках - не более 4-5%. Поры расположенные в виде цепочки в середине или на краях шва оказывают более значительное влияние на прочность чем большая пористость но при беспорядочном расположении пор.
Включения в металле шва – это небольшие объемы заполненные неметаллическими веществами. Они достигают нескольких миллиметров и могут быть различной формы. Влияние одиночных включений на работоспособность конструкций примерно такое же как и пор.
Непровары – дефекты сварных швов заключающиеся в отсутствии сплавления между металлом шва и основным металлом. Различают непровары по кромке и непровары по сечению. Первые оказывают большее влияние на прочность шва. В этом случае между металлом шва и основным металлом обычно обнаруживаются тонкие прослойки оксидов. Непровары снижают работоспособность сварного соединения за счет ослабления рабочего сечения создают концентрацию напряжений в шве. В конструкциях работающих на статическую нагрузку непровар величиной 10-15% толщины свариваемого металла не оказывает существенного влияния на эксплуатационную прочность. Однако он является опасным дефектом если конструкция работает при вибрационных нагрузках.
Несплавление – это дефект когда наплавленный металл сварного шва не сплавляется с основным металлом или с ранее наплавленным металлом предыдущего слоя того же шва.
Трещины – это частичное местное разрушение сварного соединения. Чаще всего трещины образуются в жестко закрепленных конструкциях они могут располагаться вдоль и поперек сварного соединения а также в основном металле в местах пересечения и сосредоточения швов. Трещины – наиболее опасный дефект сварных швов. Они являются сильными концентраторами напряжений. Трещины по существующим правилам контроля являются недопустимым дефектом. В сварных соединениях из низколегированной и низкоуглеродистой стали трещины маловероятны и могут возникнуть в местах повышенной напряженности или вследствие ликвации серы.
Горячие трещины образуются в процессе кристаллизации металла под действием растягивающих сварочных напряжений при резком снижении пластических свойств металла в этом интервале температур а также ряда других причин.
Холодные трещины образуются при охлаждении металла в области низких температур вследствие неоднородности протекания структурных превращений (например мартенситных) а также под действием сварочных напряжений. Холодные трещины могут образовываться как при завершении охлаждения так и во время вылеживания сварных конструкций в течение некоторого времени.
В зависимости от размеров трещины подразделяют на макротрещины имеющие сравнительно большие размеры по глубине протяженности и ширине раскрытия и микротрещины которые невозможно обнаружить невооруженным глазом. В процессе эксплуатации трещины могут развиваться вследствие раскрытия сварочных микротрещин а также зарождения разрушения металла в местах концентрации напряжений вызванных непроваром несплавлениями газовыми порами шлаковыми включениями.
По расположению относительно оси шва трещины могут быть продольными и поперечными могут располагаться в сварном шве в зоне термического влияния и в свариваемом металле.
Трещины являются наиболее опасным и недопустимым дефектом сварки и подлежат обязательному исправлению.
Влияние дефектов на свойства сварных соединений.
Дефекты имеющиеся в исходном материале а также возникшие в процессе изготовления сварных соединений ухудшают их свойства. Однако наличие каких-либо дефектов в сварных соединениях не всегда означает потерю работоспособности этих соединений. Для правильной отбраковки и оценки качества сварных швов и соединений в целом необходимо знать влияние дефектов на свойства сварных соединений т. е. иметь критерии оценки их качества.
Критериями при оценке качества сварных соединений являются виды дефектов размеры дефектов и расстояние между ними количество дефектов на определенной длине сварного шва определяемые в соответствии с условиями эксплуатации сварных соединений.
Опасность дефектов для сварных соединений зависит от ряда конструктивно-эксплуатационных факторов и собственных характеристик дефектов.
К собственным характеристикам дефектов относятся форма дефектов ориентировка и расположение дефектов в поле напряженного состояния относительная величина и относительная суммарная площадь дефектов.
Наиболее опасны дефекты сильно вытянутые с острыми краями (трещины непровары) менее опасны дефекты округлой формы (поры включения). Форма дефекта оказывает особенно сильное влияние при переменных нагрузках.
Ориентация дефекта существенно влияет на прочностные свойства сварных соединений. Наиболее опасны дефекты ориентированные перпендикулярно растягивающим напряжениям менее опасны дефекты ориентированные параллельно растягивающим напряжениям.
Расположение дефектов важно учитывать для соединений с конструктивными концентраторами напряжений. При расположении дефекта в зоне концентрации напряжений он может оказывать большее влияние на свойства соединения чем даже более опасный по форме и ориентации дефект но расположенный вне зоны концентрации напряжений [3].
В контролируемых зонах объекта предположительно могут возникнуть протяженные дефекты – типа непровар и локальные – типа пора.
Протяженные считаются недопустимыми дефектами если они составляют более 10% от толщины стенки трубы а локальные – более 20%.
Сварные швы выполнены сваркой под слоем флюса (ГОСТ 8713-79). Программа контроля – 5000 шт.год.
3 Обоснование выбора метода контроля
Выбор метода неразрушающего контроля должен быть основан помимо знания о характере дефекта на таких факторах как:
-условия работы изделия;
-форма и размеры объекта;
-физические свойства материала;
-условия контроля и наличие подходов к проверяемому объекту;
-технические условия на изделия содержащие количественные критерии недопустимости дефектов и зачастую нормирующие применение методов контроля на конкретном изделии;
-чувствительность методов.
Достоверность результатов определяется чувствительностью методов неразрушающего контроля выявляемостью и повторяемостью результатов.
Чувствительность метода контроля является важной его характеристикой.
Специфические особенности каждого вида неразрушающего контроля делают необходимым проведение анализов всех видов неразрушающего контроля для качественного решения поставленных задач. В основу классификации методов неразрушающего контроля положены физические процессы взаимодействия физического поля или вещества с объектом контроля. С точки зрения физических явлений на которых они основаны выделяют девять видов неразрушающего контроля. Каждый из видов контроля подразделяют по трем признакам:
-по характеру взаимодействия поля с объектом контроля;
-по первичному информативному параметру физического поля;
-по способу получения первичной информации.
Проанализируем различные методы неразрушающего контроля с точки зрения возможности их применения для обнаружения дефектов в сварных швах. Так как обнаружению подлежат внутренние дефекты то оптические методы и методы контроля течеисканием для этих целей не пригодны. Весьма проблематично применение для обнаружения дефектов в сварных конструкциях тепловых методов. Остановимся более подробно на анализе акустических вихретоковых радиационных и магнитных методов контроля.
Вихретоковый вид неразрушающего контроля основан на анализе взаимодействия электромагнитного поля вихретокового преобразователя с электромагнитным полем вихревых токов наводимых в контролируемом объекте. Его применяют только для контроля изделий из электропроводящих материалов. Вихретоковый вид позволяет выявить поверхностные и подповерхностные трещины глубиной 01 02 мм и протяженностью более 1мм. расположенные на глубине до 1мм. На чувствительность значительное влияние оказывает зазор между преобразователем и поверхностью контролируемого изделия а также взаимное расположение преобразователя и изделия форма и размеры объекта контроля. С увеличением зазора чувствительность метода резко падает. Существенно снижает чувствительность метода к обнаружению дефектов и структурная неоднородность зоны контроля [34].
Вихретоковые методы редко применяют при контроле сварных швов так как электропроводность отдельных зон шва и около шовной зоны значительно меняются то это создает помехи при выявлении дефектов сварного шва [4].
Радиационный вид неразрушающего контроля основан на регистрации и анализе проникающего ионизирующего излучения после взаимодействия его с контролируемым объектом.
Методы радиационной дефектоскопии могут успешно применяться для обнаружения несплошностей в ответственных металлоконструкциях. Наиболее чувствительны они по отношению к объемным дефектам (поры шлаковые включения). Однако обнаружение узких трещин и стянутых непроваров особенно ориентированных под углом к лучу просвечивания при этом не гарантируется. Кроме того контроль радиационными методами имеет низкую экономичность и невсегда высокую производительность. Такпо данным ряда отраслевых НИИ затраты на радиографический контроль одного метра шва больше в 10 раз а время – в 13 раз по сравнению с магнитографическим методам [4].
Акустический вид неразрушающего контроля основан на регистрации параметров упругих волн возникающих или возбуждаемых в объекте. К основным преимуществам ультразвуковой дефектоскопии относятся высокая чувствительность мобильность аппаратуры оперативность в получении результатов низкая стоимость контроля. Методы широко распространены в промышленности для выявления дефектов: трещин непроваров шлаковых включений в сварных швах – при толщине стенки изделия от 1 до 2800 мм. Основными недостатками акустических методов являются высокие требования к чистоте обработки поверхности объекта контроля трудность создания надежного акустического контакта между преобразователем и изделием имеющим криволинейную поверхность неудовлетворительная выявляемость дефектов в поверхностном слое металла. Последнее особенно важно при контроле тонкостенных изделий так как в этом случае могут быть пропущены дефекты значительной величины (по отношению к толщине стенки изделия) которые сильно ослабляют контролируемое сечение [5].
Магнитные методы контроля основаны на обнаружении магнитных полей рассеяния возникающих при наличии различных дефектов сплошности в намагниченных изделиях из ферромагнитных материалов. Поля рассеяния могут фиксироваться с помощью различных индикаторов и преобразователей: магнитного порошка феррозонда индукционного преобразователя и т.д.
Для надежного обнаружения дефектов в изделиях магнитопорошковым методом контролируемая поверхность должна быть зачищена до шероховатости значение которой определяется требуемой чувствительностью метода.
В данной курсовой работе в качестве метода контроля выбираем магнитографический метод контроля. Данный метод контроля обладает высокой чувствительностью к наиболее опасным дефектам – порам и стянутым непроварам высокой производительностью возможностью отстройки от мешающих факторов безопасность для обслуживающего персонала.
4 Анализ литературных источников с целью выбора способа контроля.
В сварных соединениях из низкоуглеродистых и ряда низколегированных сталей дефекты сплошности (непровары подрезы трещины цепочки пор) ориентированы вдоль продольной оси шва. При магнитографическом контроле рекомендуют такие соединения намагничивать в поперечном направлении так как вектор напряжённости внешнего поля будет ориентирован перпендикулярно направлению распространения дефектов и их выявляемость поэтому будет наилучшей [4].
В данном изделии возможно появление протяженных дефектов ориентированных вдоль шва и для их выявления контроль необходимо проводить магнитографический контроль путем поперечного намагничивания.
При намагничивании сварного соединения в поперечном направлении выпуклость шва создает значительную неоднородность поля в зоне контроля. Объясняется это тем что на его выступающей поверхности образуются магнитные полюсы которые создают в шве и его окрестностях поле направленное навстречу внешнему. Чем меньше ширина В и больше высота С валика шва тем слабее намагничен шов. Особенно малая индукция в плоскости симметрии шва. Поэтому выявляемость дефектов расположенных в указанном сечении шва наихудшая. Расчетным и экспериментальным путем было показано что при неизменном значении напряженности намагничивающего поля одинаковым значениям обобщенного параметра шва=ВС всегда соответствуют одинаковые значения напряженности поля в плоскости симметрии шва [56]. Это значит что предварительный режим намагничивания при магнитографическом контроле необходимо устанавливать в зависимости от.Чувствительность магнитографического контроля сварных соединений зависит не только от величины поля дефекта но и от его градиента. При этом влияние размеров валика шва на чувствительность метода наиболее точно можно учесть с помощью обобщенного параметра R0=B28C -радиуса кривизны валика шва в плоскости его симметрии. Чем меньше R тем ниже чувствительность контроля сварных соединений [7].
На магнитную ленту в процессе магнитографического контроля стыковых сварных соединений (при поперечном намагничивании) записывается в основном суперпозиция магнитных полей следующих видов: тангенциальные составляющие внешнего намагничивающего поля Hо поля изделия (без валика шва) Ни поля валика шва НОи поле дефекта Нd. Поле дефекта с увеличением глубины залегания дефекта претерпевает не только количественное но и качественное изменение. Начиная с некоторой глубины залегания дефекта Hd из колоколообразной трансформируется в двугорбую максимумы которой смещаются к краям валика шва. Это обусловливает появление в шве областей качественно разной выявляемости дефектов [8].
Если дефект расположен в корне шва то максимумы делокализованного поля дефекта могут совпадать с краями валика шва и на сигналограмме будет наблюдаться лишь изменение амплитуд помех обусловленных валиком шва. Эта особенность использована в [9] для разработки способа намагничивания при контроле односторонних сварных соединений. Сущность способа состоит в следующем (рисунок 1.1).
Рисунок 1.1 – К пояснению способа магнитографического контроля
На поверхность контролируемого объекта с обратной стороны шва укладывают пластину прямоугольного сечения а затем две пластины со скосом кромки стык которых расположен в плоскости симметрии шва. Толщину пластины прямоугольного сечения выбирают такой чтобы стык пластин со скосом кромки находился в области корня шва. В этом случае “ложный” сигнал от стыка на сигналограмме либо будет отсутствовать либо такие сигналы не будут превышать фон помех. Итак стык пластин со скосом кромки создает дополнительное поле которое подмагничивает шов однако сам стык как дефект не обнаруживается. Дефекты же сплошности сварного соединения располагаются ближе к поверхности сильно намагниченного шва а потому будут создавать значительные поля рассеяния и могут быть уверенно обнаружены.
Описанный способ позволяет значительно повысить чувствительность контроля сварных соединений однако имеет существенный недостаток: необходим подход к обратной стороне шва. Кроме того способ магнитографического контроля целесообразно использовать при отсутствии обратного валика шва.
Повышение чувствительности метода обусловлено увеличением индукции в контролируемых сечениях шва вследствие более высокой напряженности поля в зоне контроля создаваемого концентраторами магнитной индукции.
При контроле с возможностью одностороннего доступа к сварному соединению рационально использовать способ описанный в [10]. Расширение функциональных возможностей и повышения достоверности магнитографического контроля обеспечивается за счет подбора расстояния между пластинами со скосом кромок (рисунок 1.2).
Рисунок 1.2 –К пояснению способа магнитографического контроля
Указанные недостатки во многом устраняются а чувствительность контроля сварных швов значительно повышается если концентраторы магнитной индукции расположить на высоте С+ от поверхности контролируемого изделия на расстоянии друг от друга равном ширине шва где С - высота валика шва 04 мм [11 12] (рисунок 1.3). При этом вследствие того что на валик шва воздействует неоднородное дополнительное подмагничивающее поле (у середины сильнее чем у краев) шов в поперечном направлении оказывается намагниченным более равномерно. Это приводит к повышению достоверности метода.
С уменьшением расстояния между концентраторами магнитной индукции создаваемая ими напряженность поля вначале возрастает достигая максимального значения при l=4..5 мм а затем убывает. При описанном выше способе магнитографического контроля максимальное значение напряженности намагничивающего поля ограничивается шириной шва: если расстояние между рабочими гранями концентраторов магнитной индукции будет меньше чем ширина шва то на сигналограмме будут наблюдаться помехи величина которых может превосходить сигналы от недопустимых дефектов. В [13] предложено расстояние между рабочими гранями концентраторов магнитной индукции в намагничивающем устройстве установить 6 - 8 мм а при контроле судить только о качестве участка шва находящегося в плоскости симметрии валика и его окрестностях (2мм) т.к. по статистическим данным около 90 % дефектов сплошности располагается в плоскости симметрии шва. О качестве остального шва можно судить и по результатам традиционного способа магнитографического контроля : шов у краев намагничен обычно достаточно для уверенного обнаружения дефектов.
Рисунок 1.3–К пояснению способа магнитографического контроля
Описанные выше способы магнитографического контроля предназначены для обнаружения протяженных дефектов в шве (трещин непроваров подрезов цепочек пор). Чувствительность метода при этом максимальна т.к. вектор напряженности намагничивающего поля перпендикулярен направлению распространения дефекта. Локальные дефекты (одиночные поры шлаковые включения) не имеют такой преимущественной ориентации: в плоскости изделия они имеют округлую форму. Чувствительность контроля реальных сварных швов на наличие таких дефектов составляет 80 100 % от толщины основного металла.
Повысить чувствительность контроля швов на наличие пор и шлаковых включений можно если шов намагнитить под углом к его продольной оси [14]. При этом вследствие снижения размагничивающего фактора сварной шов окажется намагниченным значительно сильнее. Максимальная амплитуда сигнала обусловленного дефектом будет иметь место если ленту считывать вдоль линии намагничивания.
Идеальные условия для обнаружения одиночных пор и шлаковых включений будут созданы если шов вместе с прижатой к его поверхности лентой намагничивать вдоль продольной оси [15](рисунок 1.4). При этом приблизительно в 45 раз повышается чувствительность контроля отсутствуют помехи обусловленные валиком шва в 20 25 раз снижается потребляемая мощность получается сигналограмма удобная для расшифрования и дальнейшей обработки.
Способ магнитного контроля стыковых сварных швов [15] заключающийся в том что намагничивают сварной шов с прилегающей околошовной зоной считывают топографию магнитного рельефа контролируемого участка и по магнитограмме определяют наличие дефектов отличающийся тем что с целью повышения чувствительности и достоверности определения дефектов округлой формы намагничивание осуществляют вдоль сварного шва а величину намагниченного поля выбирают в диапазоне 50-90 Асм. Уход величины намагничивающего поля в процессе контроля за пределы указанного диапазона ведет к снижению контрастности записи и как следствие чувствительности контроля.
Рисунок 1.4 - К пояснению способа магнитографического контроля
Метод магнитографического контроля характеризуется также низкой разрешающей способностью: цепочку локальных дефектов трудно отличить от непровара переменной величины. Для повышения разрешающей способности метода в [15] предложено контролируемый объект намагничивать вдоль направления распространения цепочки пор (во многих случаях ориентация дефектов известна) а считывание записи с ленты осуществлять вдоль линии намагничивания. При этом разрешающая способность метода возрастает 10 40 раз удается различить две находящиеся под краской или заполненные шлаком поры наружной поверхности даже в том случае если они перекрываются. Повышение разрешающей способности метода в этом случае можно объяснить следующим. При режимах обеспечивающих высокую чувствительность метода поля локальных дефектов оказываются вытянутыми в направлении перпендикулярном вектору напряженности поля. Линии равных значений тангенциальной составляющих полей пор и шлаковых включений имеют вид эллипсов большие оси которых ортогональны направлению намагничивания. При намагничивании вдоль цепочки пор поля дефектов перекрываются при меньшем расстоянии между дефектами чем при намагничивании в поперечном направлении.
Одним из путей повышения чувствительности контроля является отстройка от помех обусловленных валиком шва поверхностными неровностями и структурными неоднородностями контролируемого объекта. Например от сигналов обусловленных валиком шва и краями ленты можно отстроиться если применить две совмещенные магнитные головки с дифференциальной схемой включения обмоток [16]. При набегании на край ленты в головках будут индицироваться практически одинаковые сигналы (из-за близости расположения головок друг от друга) которые на выходе можно исключить путем встречного включения обмоток в головках.
Недостаток - двухканальная дифференциальная головка регистрирует лишь локальные дефекты либо начало и конец протяженного.
В современных дефектоскопах от помех обусловленных краями магнитной ленты и валика шва отстраиваются электронными устройствами. Основным узлом устройства является линейный селектор времен пропускающий сигналы на индикатор только в те моменты когда считывающая магнитная головка пробегает над средней частью ленты [17]. Запуск селектора осуществляется регулируемым управляющим импульсом сформированным помехой обусловленной одним из краев валика шва.
Для решения вопроса о том является ли дефект недопустимым в настоящее время сравнивают амплитуду сигнала от наименьшего недопустимого дефекта с амплитудой сигнала от дефекта обнаруженного в контролируемом объекте. Если амплитуда сигнала от дефекта в объекте контроля превышает браковочный уровень то дефект считается недопустимым. В случае малой амплитуды сигнала обусловленного дефектом погрешность в определении размера дефекта может быть значительной что снижает достоверность метода [18]. Сущность изобретения состоит в том что в способе магнитографического контроля изделий из ферромагнитных материалов заключающемся в том что на контролируемое изделие с прижатой к его поверхности лентой воздействуют внешним полем намагничивающим изделие до состояния близкого к техническому насыщению и определяющего положение рабочей точки характеристики ленты считывают с носителя магнитограмму по которой судят о наличии дефектов в изделии. Ленту выбирают такого типа чтобы рабочая точка ее характеристики превышала значение коэрцитивной силы ферромагнитного слоя ленты на 20-70 Асм. Так как при этом запись как положительного максимума так и отрицательных минимумов полей дефектов будет происходить на линейном возрастающем участке характеристики ленты то амплитуда сигнала будет практически линейно связана с тангенциальной составляющей поля дефекта. Крутизна характеристики ленты на этом участке будет больше и для отрицательных минимумов поэтому общая амплитуда сигнала от дефекта увеличится. Поскольку дефекты а следовательно и образуемые ими поля рассеяния могут быть разные по величине а при разбраковке изделий ориентируются на наименьший недопустимый по ТУ дефект (обычно 10% от толщины) то рабочую точку характеристики ленты целесообразно выбрать выше линейного участка характеристики на величину отрицательных минимумов полей от наименьших недопустимых дефектов расположенных в корне шва.
Рисунок 1.5 - К пояснению способа магнитографического контроля
Рисунок 1.6 - К пояснению способа магнитографического контроля
На рисунке 1.5 дана характеристика магнитной ленты с указанием положения рабочей точки при существующем способе; на рисунке 1.6 то же при предлагаемом способе. При применении известного способа магнитографического контроля рабочая точка характеристики ленты совпадает с точкой А (рисунок 1.5). Контраст магнитной записи на ленте в этом случае определяется отрезком М1М2 М12. Уменьшение контраста записи обусловлено тем что запись отрицательных минимумов поля дефекта происходит на менее крутом участке ОА характеристики ленты. Если бы запись отрицательных минимумов поля дефекта также происходила на крутом возрастающем участке характеристики ленты то контраст записи увеличился бы на М23 и определялся бы отрезком М1М3 (рисунок 1.5). Это подтверждает рисунок 1.6. Положение рабочей точки А характеристики ленты в этом случае превышает значение коэрцитивной силы (точка на рисунке 1.6) на Нd. Измерения показали что значения отрицательных максимумов тангенциальных составляющих полей обусловленных дефектами величиной 10% от толщины основного металла составляют 20-70 Асм на толщинах 2-16 мм. Следовательно ленту необходимо выбрать такого типа чтобы рабочая точка ее характеристики превышала значение коэрцитивной силы ферромагнитного слоя на 20-70Асм. Недостаток способа низкая достоверность контроля обусловленная тем что положение рабочей точки характеристики ленты не конкретизировано.
Задачей следующего изобретения является увеличение эффективности магнитографического контроля сварных швов путем оптимизации магнитных свойств носителя и характеристик преобразователя поля записи (рисунок 1.7) .
Рисунок 1.7- К пояснению способа магнитографического контроля
(1 и 2 - соответственно магнитожесткая и магнитомягкая ленты).
Очевидно что эффективность любого метода растет если увеличивается сигнал дефекта уменьшаются шумы и четче становится связь амплитуды сигнала с размером дефекта. Эффективность магнитографического контроля определяется в первую очередь магнитными свойствами применяемых лент свойствами исходного поля над металлом свойствами поля записи и характеристиками преобразователя поля ленты [19]. Условия выявления НД и ВД в швах существенно отличаются: резко отличны величина топография и скорость убывания их полей как в пространстве над швом так и в пространстве над лентой; различны значения Ho и магнитные свойства ленты оптимальные для выявления НД и ВД; различными должны быть характеристики датчиков (преобразователей) поля ленты для выявления НД и ВД. Лента для увеличения сигнала от НД и крупных ВД должна иметь максимальную ширину линейного участка (Hb Hs). Для выявления НД ленты желательно прижать вплотную к изделию где исходные поля НД значительно превышают поля неровностей поверхности металла; для выявления глубоколежащих ВД наоборот желательно ленту несколько отодвинуть от поверхности металла для снижения поля поверхностных неровностей. При считывании ленты отношение сигнала НД к шумам ленты и металла максимально если преобразователь находится как можно ближе к поверхности ленты; отношение сигнала ВД к шумам ленты и металла растет если датчик несколько удалить от поверхности ленты. Если индукционная головка в силу принципа работы и особенностей конструкции очень чувствительна к НД то для выявления ВД желателен преобразователь с линейной характеристикой реагирующий на величину поля а не его градиент. Такие преобразователи существуют например феррозонды. Целесообразность выбора лент с разными магнитными свойствами при условии что поле Hs второй более магнитомягкой ленты равно полю Hb более магнитожесткой первой а поле Ho равно полю Hs второй ленты (т.е. полю Hb первой) иллюстрирует рисунок 1.7. Здесь схематично показана для одного значения поля последовательность трансформации распределения тангенциальной составляющей исходного поля наружного и внутреннего протяженных дефектов в одном и том же шве двумя лентами с характеристиками данными на рисунке 1.7 (а) в распределение тангенциальной остаточной намагниченности Mr в свою очередь более магнитожесткая лента почти не записывает мощную помеху от шва и ее собственные швы близки к нулю значит применение двух лент с разными магнитными свойствами при указанных условиях действительно позволяет улучшить отношение сигналшум для наиболее опасных дефектов наружных трещин и крупных ВД сохраняя в то же время возможность поля малых глубоколежащих ВД. Кроме того размещая более магнитомягкую ленту на достаточном удалении от металла а датчик ее поля на достаточном удалении от ленты можно добиться фиксации этой лентой только полей ВД. Тогда дефекты фиксируемые только более магнитомягкой лентой 2 являются небольшими ВД: только лентой 1 небольшими НД; фиксируемые сразу двумя лентами в одном и том же месте изделия крупными ВД. Итак метод позволяет также оценить координаты и размер дефекта в шве.
Способ магнитографического контроля изделий из ферромагнитных материалов на наличие поверхностных и подповерхностных дефектов заключающийся в том что осуществляют намагничивание контролируемого изделия совместно с контактирующим с его поверхностью и протягиваемым со скольжением магнитоносителем считывают с магнитоносителя информацию о магнитоном рельефе отличающийся тем что с целью повышения достоверности контроля магнитоноситель протягивают на расстояние Lзатем на 2l в противоположном направлении а положение дефекта определяют как среднюю точку полученного магнитного рельефа на ленте[20].
Сущность следующего изобретения состоит в том что в способе магнитографического контроля стыковых швов с грубой поверхностью на наличие дефектов округлой формы и поперечных дефектов заключающемся в том что намагничивают сварной шов с прилегающей околошовной зоной вдоль шва считывают топографию магнитного рельефа с контролируемого участка с помощью магнитной ленты намагниченной вместе с изделием и по магнитограмме определяют наличие дефектов Согласно изобретению перед укладкой ленты на поверхность изделия в околошовной зоне помещают неферромагнитные прокладки толщиной от 03до 12 мм ленту укладывают на поверхность шва и немагнитные прокладки отмечают на ленте положение зон перехода от шва к основному металлу а после намагничивания магнитограмму считывают вдоль направления намагничивания также и в зонах перехода от шва к основному металлу и в околошовных зонах [21].
Повышение информативности метода обусловлено тем что о наличии дефектов в шве судят дополнительно по результату считывания записи с участков ленты находившихся в зонах перехода от шва к основному металлу и в околошовных зонах. Повышение достоверности метода обусловлено увеличением отношения амплитуд сигнал-шум вследствие уменьшения полей-помех от поверхностных неровностей воздействующих на магнитную ленту на высоте 03 12мм.
При намагничивании изделия вдоль шва дефекты сплошности в виде пор шлаковых включений и поперечных трещин создают поля вытянутые в направлении перпендикулярном вектору напряженности намагничивающего поля и выходящие зачастую за края валика шва. Поля дефектов сохраняют значительную величину на большом расстоянии от поверхности контролируемого изделия а поля обусловленные поверхностными неровностями быстро убывают по мере удаления от объекта контроля. В зонах перехода от шва к основному металлу вследствие жесткости ленты и малого радиуса сопряжения в зоне сплавления магнитный слой ленты всегда находится на некотором расстоянии от поверхности изделия. При считывании записи с ленты в направлении намагничивания в этих зонах отношение амплитуд сигнал-шум выше чем в других местах ленты. Если в околошовных зонах расположить немагнитные прокладки а затем магнитную ленту то при считывании записи наблюдается ослабление как полезных сигналов обусловленных дефектами так и помех однако уменьшение помех происходит быстрее. Отношение амплитуд сигнал-шум возрастает. Если немагнитную прокладку поместить непосредственно на сварной шов а ленту считать с участка ранее уложенного на поверхность шва то эффект достигается меньший так как поверхностные неровности могут достигать значительных размеров и поля обусловленные ими сохраняются на значительном удалении от контролируемой поверхности. В этом случае отношение амплитуд сигнал-шум меньше чем для околошовной зоны. Пределы изменения толщины немагнитных прокладок выбраны исходя из того что при нижнем пределе отношение амплитуд сигнал-шум не менее 2 а при верхнем – амплитуда полезного сигнала становится слишком малой для уверенного заключения о наличии дефекта.
При выборе оптимальной схемы намагничивания контролируемых швов важное значение имеет направление преимущественного расположения дефектов в наплавленном металле и околошовной зоне. Целесообразно проводить раздельный контроль сварных швов на наличие протяженных и локальных дефектов.
При контроле сварных швов на наличие протяженных дефектов сварные соединения следует намагничивать в поперечном направлении. При этом поток магнитной индукции пересекает контролируемый шов под прямым углом в результате чего будет происходить его большее рассеивание и выявляемость дефектов станет наилучшей.
При намагничивании сварных соединений в поперечном направлении выпуклость шва создает сильно неоднородные поля в зоне контроля. Это объясняется тем что на выступающей поверхности шва образуются магнитные полюсы которые создают в шве и его окрестностях поле направленное навстречу внешнему. Чем меньше ширина и больше высота валика шва тем слабее намагничивается шов. Особенно малая индукция в плоскости симметрии шва поэтому выявляемость дефектов расположенном сечении шва наихудшая. При неблагоприятных размерах выпуклости шва используют концентраторы магнитной индукции.
При контроле сварных швов на наличие локальных дефектов объект контроля следует намагничивать вдоль продольной оси шва считывая запись с ленты вдоль направления остаточной намагниченности. Увеличение чувствительности контроля сварных швов на наличие локальных дефектов будет обусловлено уменьшением размагничивающего действия выпуклости шва. При этом сварной шов будет намагничен до уровня основного металла.
Разработка оборудования для контроля
1 Анализ литературных источников с целью разработки или модернизации оборудования для контроля
В практике магнитографического контроля получили применение следующие типы намагничивающих устройств:
Подвижные намагничивающие устройства (ПНУ) применяемые при контроле труб диаметром свыше 150 мм и листовых конструкций толщиной до 16 мм.
Устройства используемые для контроля стыков труб небольших диаметров типа намагничивающие клещи(НК) пояса(НП) и вилки(НВ).
Дисковые магниты (ДМ) используемые для контроля листовых конструкций и труб с толщиной стенки до 5-6 мм(рисунок 2.1) состоит из двух дисков и соединяющего их стержня. На стержне размещена обмотка концы которой выведены к зажимам изолированным от магнитопровода. Токопровод состоит из двух изолированных друг от друга скоб имеющих втулки соединенные с концами обмотки. Для передвижения и регулировки направления магнита по шву служит ручка внутри которой пропущены провода присоединенные через регулирующее устройство (реостат) к источнику питания.
Между дисками поверх защитного кожуха обмотки помещено кольцо из мягкой резины предназначенное для прижима магнитной ленты к поверхности шва. На корпусе магнита размещен также выключатель.
Рисунок 2.1 - Дисковый электромагнит
Питание дискового магнита производится через регулирующее устройство состоящее из реостата и амперметра собранных в одном кожухе. С помощью реостата устанавливается необходимый ток в зависимости от толщины контролируемого металла.
Для оценки эффективности подвижных намагничивающих устройств важное значение имеет минимальное «растекание» потока магнитной индукции.
Под условным термином «растекание» потока понимается уменьшение индукции в контролируемом изделии непосредственно в месте расположения намагничивающего устройства и на некотором расстоянии от его поперечной оси.
Сравнение величины «растекания» потока при намагничивании изделий с помощью дисковых магнитов различных типоразмеров показало что все они дают примерно одинаковые результаты; однако с уменьшением сечения полюсов и увеличением расстояния между полюсами «растекание» потока несколько увеличивается.
Как уже отмечалось выше с помощью дисковых магнитов ДМ-60 вследствие значительного «растекания» магнитного потока можно контролировать изделия с толщиной стенки до 6 мм. Рекомендуемые режимы намагничивания приведены ниже.
Толщина металла в мм456
Подвижные намагничивающие устройства.
В подвижных намагничивающих устройствах ПНУ (рисунок 2.2) применен принцип одновременного создания однородного магнитного потока на участке значительной протяженности. Устройство состоит из двух стальных полюсов скрепленных стальными сердечниками на которых размещаются одна или две катушки. Стальной каркас с катушками опирается на четыре колеса из немагнитного материала (дюралюминия). Колеса расположены таким образом что при установке намагничивающею устройства на контролируемое изделие между полюсными наконечниками и поверхностью изделия образуется воздушный зазор в 2-3 мм. На одном из полюсов магнита размещены и клеммы токоподвода и пакетный выключатель. Устройство перемещается вдоль контролируемого шва таким образом чтобы возбуждаемый при включении тока магнитный поток пересекал продольную ось шва под прямым углом.
Рисунок 2.2 – Устройство ПНУ (внешний вид)
Благодаря значительной длине магнитопровода (150-200 мм) ПНУ обеспечивает одновременное намагничивание участка шва с минимальным «растеканием» магнитного потока и эффективное выявление дефектов. Воздушный зазор хотя и вызывает потери потока но позволяет легко перемещать ПНУ по поверхности изделия.
Устройства ПНУ для намагничивания стыков труб имеют полюса с кривизной соответствующего радиуса; в устройствах для намагничивания листовых конструкций полюса делаются плоскими.
Устройства ПНУ были пригодны для контроля труб ограниченного диапазона диаметров. В дальнейшем эти устройства были модернизированы путем уменьшения расстояния между парами колес замены двух обмоток одной и внесения некоторых конструктивных изменений. Благодаря этому модернизированные устройства давали возможность намагничивать трубы в широком диапазоне диаметров.
Рисунок 2.3 – Модернизированные намагничивающие устройства ПНУ-М1 (а) и ПНУ-М2 (б)
Для удобства эксплуатации величина воздушного зазора должна обеспечивать свободное перемещение намагничивающего устройства через усиление пересекающих швов величина которого обычно не превышает 20-25 мм. В связи с этим воздушный зазор устройств типа ПНУ принят равным 3мм.
Опыты показали что уменьшение индукции (свыше 5-6%) вследствие «растекания» потока имеет место при смещении намагничивающего устройства ПНУ от места расположения дефекта свыше 60-70 мм. Поэтому с учетом небольшого запаса длина полюсов устройства должна быть не менее 160-200 мм.
Подвижные намагничивающие устройства ПНУ рассчитывают по законам магнитной цепи графико-аналитическим способом.
При определении сечения магнитопровода длина полюсов намагничивающего устройства исходя из результатов экспериментов по определению «растекания» потока принимается равной 150-200 мм; высота полюсов выбирается из конструктивных соображений а длина сердечника равная расстоянию между полюсами определяется шириной магнитной ленты для магнитографического контроля (35 мм) и удобным для эксплуатации расстоянием между полюсами магнита и краями ленты.
Намагничивающие клещи.
Неподвижное устройство типа НК (намагничивающие клещи) предназначено для труб небольших диаметров и представляет шарнирно раскрывающийся электромагнит позволяющий одновременно намагничивать контролируемый стык по всему периметру.
Рисунок 2.4 – Намагничивающие клещи НК
Намагничивающие клещи (рисунок 2.4) состоят из двух раздельных каркасов-полуколец соединенных между собой шарниром. На каркасах размешены обмотки электромагнита соединенные последовательно. Клещи снабжены рукоятками дающими возможность устанавливать и снимать их с контролируемого стыка.
Устройства типа НК позволяют контролировать стыки труб определенных диаметров; для контроля стыков труб нескольких диаметров должны применяться устройства НК различных типоразмеров.
Намагничивающие устройства типа НК рассчитывают аналогично устройствам ПНУ по законам магнитной цепи. Однако ввиду того что в устройстве НК полюса непосредственно прилегают к поверхности намагничиваемого изделия влияние воздушного зазора не учитывается.
Намагничивающие устройства МП условно называемые магнитными поясами разработаны лабораторией треста ЗапСантехмонтаж БССР и предназначены для магнитографического контроля стыков труб и других изделий цилиндрической формы небольшого диаметра с толщиной стенки до 3-4 мм.
Устройства МП имеют импульсный источник тока и состоят (рисунок 15) из двух последовательно соединенных катушек с 30 витками каждая (провода ПМВГ 075 мм). Концы витков припаяны к 30 штырьковым разъемам. Катушки пояса располагают на расстоянии 20 мм по обе стороны от контролируемого стыка. При включении тока в зоне шва возникает магнитный поток направленный перпендикулярно к плоскости продольного разреза сварного стыка. Основные достоинства устройства МП заключаются в одновременном намагничивании стыка по всему его периметру в универсальности позволяющей применять одно и то же устройство для намагничивания стальных труб диаметром от 48 до 133 мм и портативности источника тока.
Намагничивающие вилки. Намагничивающая вилка НВ (рисунок 16) предназначена для контроля стыков труб небольших диаметров и состоит из стального каркаса и рукоятки. Полюса вилки охватывают контролируемый стык на половину длины его окружности. Поэтому контроль стыков труб с помощью вилки производится с двух сторон.
Рисунок 2.5 – Магнитный пояс расположенный на стыке
Рисунок 2.6 – Намагничивающая вилка
Намагничивающие вилки удобно применять в тех случаях когда имеется односторонний доступ к контролируемым швам (например к стыкам труб поверхностей нагрева паровых котлов)[2].
При одностороннем контроле сварного шва для повышения чувствительности метода можно использовать подмагничивающую систему в виде подковообразного магнита либо в виде двух пластин прямоугольного сечения рабочие поверхности которых расположены на одинаковых расстояниях от зоны перехода шва к основному металлу причем расстояние между концентраторами магнитной индукции выбирают из условия возникновения максимально допустимых помех на сигналограмме [2].
Для оценки эффективности подвижных намагничивающих устройств важное значение имеет минимальное «растекание» потока магнитной индукции. Опыт показал что с уменьшением сечения полюсов и увеличением расстояния между полюсами «растекание» потока несколько увеличивается. «Растекание» потока имеет место и при смещении намагничивающего устройства от места расположения дефекта поэтому следует увеличить длину полюсов (160-200 мм)[2].
Таким образом для повышения чувствительности контроля следует использовать электромагниты в виде двух пластин с длинной полюсов не менее 160 мм.
2 Компоновка оборудования для контроля
Из анализа литературы следует что рационально проводить раздельный контроль протяженных и локальных дефектов так как поля рассеяния их ведут себя по-разному при различных способах намагничивания. Для обнаружения локальных дефектов шов следует намагничивать вдоль так как в этом случае исключается размагничивающее действие выпуклости шва и поля рассеяния от дефектов будут максимальны. По этой же причине при обнаружении протяженных дефектов шов следует намагничивать поперек. Поэтому разработанное устройство для поперечного намагничивания должно содержать четыре электромагнита установленные на направляющие подключенные к источнику тока.
3 Расчет электромагнита намагничивающего устройства
Для расчета электромагнита намагничивающего устройства необходимо знать оптимальный режим намагничивания (оптимального значения индукции в контролируемых сечениях).
Расчет выполним по методике изложенной в [4]. Сначала строим кривую намагничивания для стали Ст 3 (В = f(H)) (рисунок 2.7)по данным таблицы 1.
Таблица 1 – Исходные данные для построения кривой намагничивания материала контролируемого изделия
Используя данные этой кривой строим зависимость r=BoH(рисунок 2.8). Расчет оптимального режима сводится к отысканию максимального приращения производной на падающей (правой) ветви данной кривой. Максимальное приращение производной drdB находится в месте перегиба кривой функцииr(B)на ее ниспадающей ветви (в этой точке d2rdB2= 0).
Простейший способ найти d2rdB2 – заменить табличные значения функции r=f(B) соответствующим интерполяционным многочленом:
где a b c d – неизвестные коэффициенты.
Рисунок 2.7 - Кривая намагничивания материала изделия
Рисунок 2.8 – Зависимости r ddB d2dB2 от индукции в контролируемом сечении
Чтобы определить значения bср и аср можно воспользоваться методом наименьших квадратов или решить ряд систем уравнений подставляя численные значения В из кривой:
=aB13+bB12+cB1+d2=aB23+bB22+cB2+d3=aB33+bB32+cB3+d4=aB43+bB42+cB4+d
В результате решения системы уравнений в системе MathCADбыли получены значения a=38388; b = -1682017; c = 231313; d = -939313. Подставив значения aиbв (2.4) получим значение Вопт=146Тл. Следует отметить что расчетное значение ниже значения полученного Воптэкспериментально на 10 20%. Поэтому увеличим Вопт на 15% тогда Вопт=17Тл.Рассчитаем электромагнит для намагничивания изделий в процессе контроля. Цель расчёта – определить величину намагничивающей силы устройства для создания в изделии необходимой индукции. Расчет выполним по методике изложенной в [17].
Толщина полюсов намагничивающего устройства должна быть в 2-3 раза больше толщины намагничиваемого изделия. Так как по заданию толщина изделия b = 4 мм то толщину полюсов намагничивающего устройства выберем в три раза больше т.е. d = 12 мм. Остальные размеры намагничивающего устройства выбираем конструктивно или исходя из рекомендаций литературы [17]. Расстояние между полюсами электромагнита выбираем L = 80 мм высоту намагничивающего устройства h = 100 мм а длину с = 160 мм (рисунок 2.9).
Рисунок 2.9 - Расчетная схема намагничивающего устройства
Рисунок 2.10 - Эквивалентная электрическая схема намагничивающего устройства
Из закона Кирхгофа следует:
где Hi ·li - падение магнитного напряжения на участке магнитной цепи.
Рассмотрим сумму падений магнитных напряжений в изделии Uи в зазорах Uy в магнитопроводеUn
Uи=Hиlи=Hи(L+b+d)Фи=ВиSи=Виbc(2.1)
где L – длина средней линии изделия;
d – толщина полюсов;
Фи – магнитный поток в изделии;
b – толщина изделия.
Строим кривую намагничивания материала изделия. Используя выражения (2.1) по значениям Ни и Ви взятым с кривой намагничивания строим зависимость Uи=f(Фи) а затем зависимость Uy=f(Фy) в той же системе координат (рисунок 2.11).
где Ho – напряженность поля в зазоре;
– толщина суммарного зазора.
Рисунок 2.11 – Зависимости магнитных напряжений в зазоре Uy и в изделии Uи от магнитного потока в изделии
Затем на отдельном графике (рисунок 2.12) строим кривую падения магнитного напряжения в магнитопроводе в зависимости от потока в нем Uп=f(Фп)
Uп=Hпlп=Hп(2h+L)Фп=ВпSп=Впcd(2.3)
Рисунок 2.12 – Зависимость магнитного напряжения в магнитопроводе от магнитного потока в нем
Чтобы пересчитать Un в зависимости от Фи запишем уравнение Кирхгофа для точки М эквивалентной электрической схемы (рисунок 2.10)
Фп – Фи – F = 0(2.4)
где F – магнитный поток рассеяния шунтирующий изделие и переходной участок.
Так как отношение потоковФи и F обратно пропорционально магнитным сопротивлениям Rи+Ry и RF то
где RF – магнитное сопротивление потока рассеивания между полюсами электромагнита.
где GF – проводимость участка между параллельными призмами (полюсами намагничивающего устройства).
xF=CL+0.52+2lnl+2dL(2.9)
yF=0.26C+Clnl+2dL+0.15L+0.5d(2.10)
Фи=Фп1+Rи+RуRF(2.11)
Rи=lиоиSи=HиlиBиSи (2.13)
BиHи– соответствуют оптимальному режиму намагничивания.
Путем пересчета с использованием формулы (2.11) получим зависимость Uп = f(Фи). Затем суммируя Uи Uy Uп получаем зависимость UΣ=f(Фи) которая представлена на рисунке 2.13. Зная сечение изделия строим вторую ось Ви т.е. аналогичную зависимость UΣ=f(Ви) где Ви=ФиSи.
Рисунок 2.13 – Зависимость магнитного напряжения в магнитопроводе от магнитного потока в изделии
Зная значению оптимальной индукции в контролируемом сечении Вопт=17 Тл по графику на рисунке 2.14 определим U 6500 А.
Рисунок 2.14 – Зависимость суммарного магнитного напряжения от магнитного потока и индукции в изделии
С учетом коэффициента заполнения К3 = 04 и площади S окна занимаемого всеми витками катушки определим число витков обмоточного провода задаваясь его диаметром
где S = 08L(h-d)=0.8*0.1(0.1-0.012) = 70410-3 м2.
W1=70410-304314d124=79310-3d12
Затем определим величину тока в катушке по известным намагничивающей силе и числу витков
Электрическое сопротивление обмотки определяем по следующей формуле:
ρ – удельное электрическое сопротивление.
lср=2c+2d+208(h-d1)2
Потребляемую мощность определим по формуле
Результаты расчета представлены в таблице 2.1
Таблица 3.1 – Параметры катушки
Т.к. потребляемые мощности одинаковы то диаметр провода выбираем исходя из приемлемого числа витков катушки (400 – 1500) т. е. равным 2 мм.
4 Разработка оборудования для контроля. Описание устройств и принципа их действия
Установка для магнитографического контроля продольных сварных соединений изображена на чертеже ЭМК 00.00.00.000 СБ. Предназначенадля обнаружения протяженных дефектови состоит из двух направляющих из немагнитного материала на которые установлены 4 электромагнита 3 и закреплены с помощью винтов. На полюсах электромагнита закреплены наконечники для увеличения магнитного контакта между электромагнитом и контролируемым объектом.
После сварки продольного шва труба подается на установку для контроля. Предварительно на поролоновую подушку укладывается лента. Сверху швом вниз устанавливается труба. При этом обеспечивается плотное прижатие ленты к сварному шву с помощью поролоновых подушек. Затем включается источник питания и происходит намагничивание контролируемого шва. После отключения питания трубу снимают а магнитную ленту с поверхности шва доставляют к месту расположения считывающего устройства с соблюдением мер предосторожности которые исключают воздействия на нее магнитных полей.
Разработка методики контроля
Методики магнитографического контроля конкретных изделий имеют свои специфические особенности. Одновременно все они содержат ряд общих положений одинаковых для проверки качества изделий различной формы и размеров.
Подготовительные операции к проведению магнитографического контроля заключаются в подготовке изделий магнитной ленты и дефектоскопической аппаратуры. Перед контролем изделия необходимо тщательно очистить от грязи и остатков шлака.
Подготовка магнитоносителя заключается в предварительном размагничивании (стирании) внешнем осмотре и наматывании в кассеты. Размагничиванию или стиранию записи перед началом контроля должны подвергаться любые магнитные ленты независимо от того были ли они уже в употреблении или применены новые. Процесс стирания записи заключается в циклическом перемагничивании рабочего слоя ленты в убывающем магнитном поле. Стирание осуществляется с помощью специальных размагничивающих устройств имеющихся в комплекте каждого магнитографического дефектоскопа.
Во время размагничивания одновременно производится внешний осмотр и отбраковка ленты. Применять ленты имеющие сквозные порывы надрывы краев и неразглаживающиеся складки не следует. После размагничивания ленту режут на куски необходимой длины и наматывают в кассеты или в рулончики.
При транспортировке и хранении размагниченной ленты следует соблюдать меры предосторожности от случайного ее намагничивания посторонними полями.В частности запрещается класть ленту на стальные предметы которые могут оказаться намагниченными а также близко подносить ее к сварочным генераторам моторам кабелям и другим возможным источникам магнитных полей. Поэтому для хранения и доставки лент к месту проведения контроля их рекомендуется помещать в жестяные коробки. Ввиду того что количественная оценка выявляемых в изделиях производится с помощью эталонов ответственным этапом является регулировка магнитографических дефектоскопов по эталонным лентам. Регулировка (настройка) дефектоскопов по эталонным лентам производится перед каждым началом работ с прибором. Намагничивание контролируемых изделий с записью полей дефектов на магнитную ленту является важнейшей операцией во многом определяющей разрешающую способность и чувствительность магнитографической дефектоскопии.
Важное значение при выборе режима намагничивания имеет марка стали из которой изготовлены контролируемые изделия. Наиболее значительные отклонения магнитных свойств влияющих на режимы намагничивания наблюдаются у легированных и высокоуглеродистых сталей.
Определенное значение имеют также форма и размеры изделий которые могут привести к повышенному растеканию магнитного потока в сечении металла. Поэтому практическому внедрению магнитографического контроля на новых изделиях должно предшествовать проведение опытной проверки методики контроля и выбранных режимов намагничивания. Во всех случаях при подборе режимов необходимо чтобы контролируемая зона изделия была намагничена до состояния техническогонасыщения и было обеспечено минимальное растекание магнитного потока.
Другой важный момент методики намагничивания влияющий на результаты контроля заключается в обеспечении плотного контакта магнитоносителя с поверхностью контролируемого сварного шва. В зависимости от формы изделия и конструкции намагничивающих устройств для этой цели могут применяться прижимные ролики пояса и другие приспособления изготовленные из резины или других эластичных материалов. Одновременно усилие прижима не должно приводить к нарушению целостности ленты и разрушению ее магнитного слоя.
Воспроизведение записи с магнитных лент и преобразование накопленной магнитной энергии в электрические сигналы также является одной из важнейших в технике магнитографической дефектоскопии. В современных магнитографических дефектоскопах во избежание частичного нарушения магнитного слоя ленты и зафиксированной на нем записи вращающимися воспроизводящими головками магнитную ленту устанавливают в прибор так чтобы при считывании воспроизводящие головки соприкасались со значительно более прочной и гладкой основой ленты. При считывании записи со стороны основы ленты уровень сигнала возбуждаемого в головках снижается незначительно при полном сохранении уровня и формы записи в процессе многократного воспроизведения.
Кроме того такой порядок считывания одновременно способствует снижению износа поверхности воспроизводящих головок и уменьшению засорения их рабочего зазора магнитным порошком.
В процессе воспроизведения оператор внимательно следит за лучом на экране прибора. Появление на экране небольших по размеру импульсов свидетельствует об отсутствии в изделии сколько-нибудь значительных дефектов. Если при протягивании ленты на экране появились импульсы со значительной амплитудой продольная подача ленты должна быть прекращена.
1 Выбор типа магнитоносителя
Выберем тип магнитной ленты для магнитографического контроля заданного изделия. Известен оптимальный режим намагничивания (Вопт=1.7Тл) и кривая намагничивания материала изделия.
Для получения широкого диапазона характеристики ленты рекомендуют использовать ленту такого типа чтобы ее рабочая точка А совпадала с начальной точкой крутого возрастающего участка характеристики ленты (рисунок 32). Напряженность поля требуемая для намагничивания ленты до указанной точки приблизительно равна ее коэрцитивной силе.
Рисунок 32 – Характеристика магнитной ленты
Поэтому для выбора типа ленты по кривой намагничивания материала определяют напряженность поля требуемую для получения Вопт ( в нашем случае Нтр= 6500 Ам). Так как составляющая вектора напряженности поля параллельная границе раздела сред имеет по обе стороны границы одинаковые значения а ферромагнитный слой ленты находится практически у самой поверхности то на ленту в ее плоскости воздействует поле напряженностью Нтр. Это поле смещает рабочую точку характеристики ленты. По таблице Г.2 [1] выбираем магнитную ленту И4701-35 с коэрцитивной силой Нс =8000 Ам.
2 Разработка методики контроля объектов на наличие протяженных дефектов
Для начала размагниченную ленту укладывают на поролоновую подушку наметив маркером на ленте края объекта. Сверху устанавливают контролируемый объект. Осуществляют намагничивание снимают объект считывают полученную запись. При обнаружении дефектов помечают на ленте место обнаружения длительность (протяженность дефекта) количество. Заносят полученные сведения в контрольную карту.
Метрологическое обеспечение средств контроля
Метрологическим обеспечением называют установление и применение научных и организационных основ технических средств правил и норм необходимых для достижения единства и требуемой точности измерения.
Количественная оценка размеров обнаруживаемых дефектов обычно осуществляется с помощью эталонов. Настройка дефектоскопов а также определение величины дефектов производятся с помощью эталонных магнитных лент записанных с контрольных образцов сварных стыков.
Контрольные образцы могут иметь естественные или искусственные дефекты. Эталонные магнитные ленты записываются с контрольных стыков или планок с помощью рабочих намагничивающих устройств. Режимы намагничивания выбираются исходя из толщины и марки стали контролируемых изделий.
Контрольные образцы хранятся вместе с эталонными плёнками и магнитными лентами в ОТК. Ленты хранятся в жестяных коробках для защиты от посторонних магнитных полей температуры и влаги. Не следует пользоваться эталонными лентами до износа а раз в месяц заменять новыми.
Для настройки чувствительности дефектоскопов используются испытательные образцы и контрольная магнитограмма. Испытательные образцы служат для изготовления контрольных магнитограмм.
Испытательные образцы должны быть изготовлены для каждой толщины объекта контроля и марки стали качество которых подлежит контролю магнитографическим методом.
Глубину искусственных дефектов выбирают равной минимальному браковочному уровню для заданной толщины объекта контроля в соответствии с требованиями СНиП Ш-42-80. На поверхности испытательного образца должны быть отмечены краской расположение и границы участков имеющих дефекты с указанием вида и величины этих контрольных дефектов. Каждый испытательный образец должен быть проверен и принят комиссией.
Контрольная магнитограмма служит для настройки чувствительности дефектоскопов.Контрольные магнитограммы записывают на испытательных образцах путем намагничивания их теми же устройствами и при тех же режимах которые применяются для контроля данного объекта. Для изготовления контрольной магнитограммы используют магнитную ленту того же типа что и при неразрушающем контроле изделий. При каждой смене партии магнитной ленты должна быть изготовлена новая контрольная магнитограмма из новой партии ленты. На магнитограмме должны быть отмечены карандашом:
- границы участков с указанием вида и величины дефектов;
- толщины основного металла и испытательного образца;
- режим намагничивания.
При использовании одного и того же магнитографического дефектоскопа с несколькими намагничивающими устройствами при помощи каждого устройства записывают контрольную магнитограмму по каждой из них настраивают чувствительность магнитографического дефектоскопа. При настройке чувствительности дефектоскопа фиксируют амплитуду сигнала от контрольного дефекта являющуюся браковочным уровнем. Если амплитуда сигнала обусловленного дефектом в контролируемом изделии превышает браковочный уровень то дефект считают не допустимым. Настройку чувствительности магнитографического дефектоскопа следует проводить перед каждым началом работы с ним.
Мероприятия по охране труда
При неправильной эксплуатации магнитографического дефектоскопа и всей установки в целом существует опасность поражения электрическим током. Источником опасности при поражении электрическим током является понижающий трансформатор в блоке питания а точнее его первичная обмотка. Источником опасности могут быть также и различные соединительные кабели находящиеся под напряжением.
При нарушении изоляционных обмоток трансформатора а также изоляции проводов питания и кабелей возможно появление искры и как следствие – возгорание блоков. Вследствие неисправности электроустановок и повреждений изоляции токоведущих частей может возникнуть перегрев проводников и искрение что может послужить причиной возгорания.
Так как контроль осуществляется с помощью намагничивающих устройств которые являются источниками электромагнитных полей то следует предусмотреть методы и средства защиты обслуживающего персонала от воздействия электромагнитных полей в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.006-84.Источником незначительной вибрации в установке является электродвигатель. Для уменьшения вибрации и шума следует производить установку двигателя в устойчивое положение.
Таким образом при работе на данной установке возможны следующие опасности:
- поражение электрическим током;
- механические опасности (при транспортировке ОК);
- воздействие электромагнитных полей;
- возможность возникновения пожара при замыкании на корпус.
Однофазные замыкания тока которые могут возникать в приборе опасны тем что на корпусе появляется напряжение достаточное для поражения человека и возникновения пожара.
Большинство средств неразрушающего контроля (дефектоскопы установки приборы средства механизации и автоматизации) в процессе работы полностью или частично находятся под напряжением. Поэтому при их эксплуатации должны строго соблюдаться “Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей”“Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей”.
Предельно допустимый уровень напряжённости воздействующего электрического поля устанавливается равным 25 кВм по ГОСТ 12.1.002-84. Пребывание в электрическом поле напряжённостью до 5 кВм включительно допускается в течение рабочего дня. Разрабатываемая электроустановка запитывается от сети переменного тока и потребляет незначительную мощность (до 60 Вт) поэтому она способна создать уровень напряжённости электрического поля на несколько порядков ниже чем предельно допустимый.
Напряжённость электромагнитного поля в диапазоне частот работы преобразователей (003 – 3 МГц) на рабочем месте персонала в течение рабочего дня не должна превышать установленных ГОСТ 12.1.006-84 предельно допустимых уровней по электрической составляющей 20 Вм по магнитной составляющей 5 Ам. Электрические компоненты установки в силу незначительной мощности не могут воздействовать на человека с соизмеримыми показателями поэтому не требуется использование дополнительных мер защиты от вредного воздействия электромагнитного поля.
Все неизолированные питающие кабели прибора при любом напряжении должны быть ограждены от случайного прикосновения а корпус прибора надёжно заземлён.
При выборе оптимальной схемы намагничивания контролируемых швов целесообразно проводить раздельный контроль сварных швов на наличие протяженных и локальных дефектов. При контроле сварных швов на наличие протяженных дефектов сварные соединения следует намагничивать в поперечном направлении на наличие локальных дефектов – впродольном.
Для повышения чувствительности контроля следует использовать электромагниты в виде двух пластин с длинной полюсов не менее 160 мм чтобы уменьшить «растекание» магнитного потока.
При расчете электромагнита были определены следующие параметры: толщина полюсов намагничивающего устройства выберем в три раза больше т.е. d = 12 мм.Расстояние между полюсами электромагнита выбираем L = 80 мм высоту намагничивающего устройства h = 100 мм а длину с = 160 мм.
При расчете параметров катушки диаметр провода выбираем исходя из приемлемого числа витков катушки (400 – 1500) т. е. равным 2 мм.
Разработана установка для магнитографического контроля продольных сварных соединений состоящая из четырех электромагнитов закрепленных на двух направляющих.
В качестве магнитоносителявыбираем магнитную ленту И4701-35 с коэрцитивной силой Нс =8000 Ам.
Для метрологического обеспечения используем контрольные образцы которые вместе с эталонными плёнками и магнитными лентами хранятся в ОТК.
При работе на разработанной установке определены опасные факторы и разработаны мероприятия по их устранению.
ГОСТ 24450-80. Контроль неразрушающий магнитный. Термины и определения. – М. Издательство стандартов 1980. – 10 с.
Ергучев Л.А. Магнитные методы и средства неразрушающего контроля деталей подвижного состава: пособие Л.А. Ергучев. – Гомель: УО «БелГУТ» 2005. –90 с.
Неразрушающий контроль: Практ. Пособие Т2 Под ред. В. В. Сухорукова. М: Высш. шк. 1991. – 283 с.; ил.
Фалькевич А.С. Магнитографический контроль сварных соединений А. С. Фалькевич М. Х. Хусанов. - М.: Машиностроение 1966. – 176 с. ил.
Новиков В.А. Особенности формирования магнитостатического поля шва на поверхности стыкового сварного соединения Диагностика и прогнозирование разрушения сварных конструкций. – № 6 1998 с. 53-60.
Новиков В.А. Выбор режима намагничивания при контроле стыковых сварных соединений магнитографическим методом Техническая диагностика и неразрушающий контроль. – 1992.- № 2.
Шарова А.М. Чувствительность магнитографического контроля качества сварных соединений низкоуглеродистых сталей А.М. Шарова Д.А. Роговин В.П. Куликов Автоматическая сварка.–1973.–№3.–С.39–42.
Новиков В.А. Исследование магнитографического метода контроля стыковых сварных соединений с целью повышения его разрешающей способности: Дис. канд. техн. наук: 01.04.11.– Защищена 22.03.85; Утв. 07.08.85; 083272 – Сведловск.1985– 208 с.: ил.
А.с. 565245 МКИ G01 N 2782. Способ намагничивания при контроле односторонних сварных соединений А.М. Шарова В.А. Новиков (СССР). – №209083128; Заявлено 24.12.74; Опубл. 15.07.77 Бюл. №26.–4 с.: ил.
А.с. 1196746 СССР МКИ4 G01 N 2785. Способ магнитографического контроля сварных соединений А.М. Шарова В.А. Новиков А.П. Магилинский (СССР).– №376949125–28; Заявлено 06.07.84; Опубл. 07.12.85 Бюл.№45.–6 с.: ил.
А.с. 1422125 СССР МКИ4 G01 N 2785. Способ магнитографического контроля сварных швов В.А. Новиков (СССР).– №418420025–28; Заявлено 12.01.87; Опубл. 07.09.88 Бюл.№33.–6 с.: ил.
А.с. 1672344 СССР МКИ5 G01 N 2785. Способ магнитографического контроля сварных швов В.А. Новиков М.В. Федченко (СССР).– №448964728; Заявлено 03.10.88; Опубл. 23.08.91 Бюл. №31.– 6 с.: ил.
А.с. 1797033 СССР МКИ5 G01 N 2785. Способ магнитографического контроля сварных швов В.А. Новиков В.А. Романов (СССР).– №492802628; Заявлено16.04.91; Опубл. 23.02.93; Бюл. №7.– 6 с.
А.с. 1767408 СССР МКИ5 G01 N 2785. Способ магнитографического контроля сварных соединений В.А. Новиков В.А. Романов (СССР).–№482948228; Заявлено 28.05.90; Опубл. 07.10.92; Бюл. №37.– 6 с.: ил.
А.с. 1677601 СССР МКИ5 G01 N 2785. Способ магнитографического контроля В.А. Новиков (СССР).–№ 4630527; Заявлено 02.01.89; Опубл. 15.09.91 Бюл.№34.– 8 с.: ил.
Козлов В.С. Физика магнитографической дефектоскопии В.С. Козлов. – Мн.: Наука и техника 1968.–160 с.: ил.
Козлов В.С. Техника магнитографической дефектоскопии В.С. Козлов. – Мн.: Вышэйшая школа 1976.–280 с.: ил.
А.с. СССР МКИ G01 N 2785. Способ магнитографического контроля изделий из ферромагнитных материалов В.А. Новиков В.А. Романов (СССР).–№505448728; Заявлено 07.14.92; Опубл.01.20.96.
А.с.296031 СССРМКИ G01N2785. Способ магнитографического контроля стыковых сварных швов двумя лентами Михайлов С.П.(СССР).-№9302631728; Заявлено 05.07.93; Опубл.08.10.97.
А.с.241783 СССР МКИ G01N2785. Способ магнитографического контроля изделий из ферромагнитных материаловВ.А.Новиков М.В.Юдчиц А.М.Шарова(СССР).-№384846325-28; Заявлено 16.01.85; Опубл.07.05.86 Бюл.№17.-3 с.:ил
А.с.1677601 СССРМКИ G01N2785.Способ магнитографического контроля стыковых сварных швов В.А. Новиков В.А. Романов.(СССР).-№486972028; Заявлено 27.09.90; Опубл.15.06.93 Бюл.№22.-3 с.: ил.

НУ.cdw

продольного намагничивания
елорусско-Российский университет

Патенты.cdw

А.с. 565245 МКИ G01 N 2782. Способ намагничивания при
контроле односторонних сварных соединений
А.с. 1196746 СССР МКИ4 G01 N 2785. Способ магнитографического
контроля сварных соединений
А.с. 102537 СССР МКИ G01 N 2785. Способ магнитографического
контроля изделий из ферромагнитных материалов
А.с.296031 СССРМКИ G01N2785. Способ магнитографического контроля стыковых
сварных швов двумя лентами
А.с. 1797033 СССР МКИ5 G01 N 2785. Способ магнитографического
контроля сварных швов
Патентные исследования
А.с. 1677601 СССР МКИ5 G01 N 2785. Способ магнитографического контроля

Графики.cdw

Эквивалентная электрическая схема
намагничивающего устройства
Зависимости магнитных напряжений в зазоре Uy и
в изделии Uи от магнитного потока в изделии
Зависимость магнитных суммарных напряжений
в изделии Usum от магнитной индукции в изделии
в изделии Usum от магнитного потока в изделии
Кривая намагничивания материала изделия

Спецификация.doc

-----------------------