Способ контроля структуры протяженного ферромагнитного изделия

 

Изобретение относится к методам контроля структуры протяженных ферромагнитных изделий магнитоиндукционнным методом, в частности к способам дефектоскопии насосных штанг, используемых для определения в структуре металла насосных штанг отклонений, связанных с нарушением режима их термообработки. Цель изобретения - повышение достоверности определения структуры изделия путем увеличения интенсивности остаточного магнитного поля искусственного концентратора (ИК) за счет изменения плотности основного магнитного потока с поперечном сечении , ограниченном этим ИК. Для этого в каждой партии отбирают эталонные образцы, в теле которых формируют ИК, после чего образцы нагружают и намагничивают при определенном режиме, измеряют величину остаточного магнитного поля в зоне ИК для различных величин глубин ИК. Строят семейство кривых зависимости уровня сигнала от остаточного магнитного поля к площади сечения ИК для различных партий. На контролируемом изделии формируют ИК, идентичный ИК на эталонном образце. После нагружают и намагничивают его при том же режиме, измеряют остаточное магнитное поле от ИК и на семействе кривых находят кривую, по которой определяют режим термообработки. О качестве режима термообработки судят по темплету. 1 з. п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к методам контроля структуры протяженных ферромагнитных изделий магнитоиндукционным методом, в частности к способам дефектоскопии насосных штанг, используемые в механизированной нефтедобыче, для определения в структуре металла насосных штанг отклонений, связанных с нарушением режима их термообработки. Цель изобретения - повышение достоверности определения структуры изделия путем увеличения интенсивности остаточного магнитного поля искусственного концентратора за счет изменения плотности основного магнитного потока в поперечном сечении, ограниченном искусственным концентратором. На фиг. 1 представлено устройство для осуществления предлагаемого способа контроля структуры протяженного ферромагнитного изделия; на фиг. 2 - характер распределения магнитного потока рассеяния в зоне центральных измерительных обмоток, вызванного искусственным концентратором магнитного поля рассеяния; на фиг. 4 - характер распределения остаточного магнитного поля в зоне выносных измерительных обмоток; на фиг. 5 и 6 - характер распределения остаточного магнитного поля, вызванного искусственным концентратором магнитного поля рассеяния типа "пропил", в зависимости от глубины коцентрататора магнитного поля рассеяния при разных режимах термообработки изделий; на фиг. 7 - характер распределения остаточного магнитного поля, вызванного искусственным концентратором магнитного поля рассеяния типа "ступенчатое отверстие", в зависимости от глубины концентратора магнитного поля рассеяния; на фиг. 8 - характер распределения остаточного магнитного поля, вызванного искусственным концентратором магнитного поля рассеяния типа "пропил", в зависимости от глубины концентратора при изменении режима термообработки по длине и поперечному сечению изделия; на фиг. 9 и 10 - характер изменения индуктивности катушки по длине изделия. Устройство (фиг. 1) содержит универсальную растягивающую машину 1 с захватами 2, в которых размещается изделие 3, платформу 4 и расположенную на ней намагничивающую систему в виде двух согласно включенных намагничивающих обмоток 5, размещенных коаксиально изделию 3, а также измерительную систему в виде дифференциально включенных двух центральных измерительных обмоток 6, которые размещены коаксиально изделию 3 между обмотками 5 и разделены между собой ферромагнитным диском 7, и двух пар дифференциально включенных выносных измерительных обмоток 8, которые также размещены коаксиально изделию 3, разделены между собой ферромагнитным диском 9, установлены в ферромагнитный корпус. Каждая пара обмоток 8 расположена по обе стороны от намагничивающих обмоток 5 на расстоянии, исключающем влияние этих обмоток 5 на выносные измерительные обмотки 8. Устройство содержит также гибкую тягу 10, уложенную на барабан 11 и предназначенную для перемещения платформы 4. Способ осуществляется следующим образом: - размещают изделие горизонтально, - нагружают изделие до величины минимального его нагружения в скважине; - производя дальнейшее нагружение изделия от величины минимального до величины максимального его нагружения в скважине; - одновременно с момента нагружения изделия от величины минимального его нагружения перемещают вдоль изделия намагничивающую и измерительную системы; - уменьшают механическую нагрузку изделия от величины максимального до величины минимального его нагружения в скважине, продолжая при этом перемещать намагничивающую и измерительную системы вдоль изделия; - производят продольное намагничивание изделия до насыщения путем перемещения по всей длине изделия от его начала до конца двух согласно включенных обмоток 5 системы намагничивания, подключенных к источнику постоянного тока питания таким образом, что магнитное поле в теле изделия совпадает с направлением перемещения этих обмоток 5; - регистрируют сигнал двумя центральными обмотками 6 измерительной системы во время их перемещения от начала изделия до его конца и одновременно записывают информацию на диаграммной ленте. Согласно перечисленным операциям выявляют в структуре изделия наличие неоднородности структуры. Такому контролю подвергают партии изделий одного года выпуска, одного предприятия, одной плавки, одного режима термообработки и материала стали. Из каждой партии изделий по полученным дефектограммам отбирают контрольный образец; - затем формируют на внешней боковой поверхности контрольного образца искусственный концентратор магнитных полей рассеяния, например, в виде прорези, либо кольцевой канавки, либо сверления; - после этого нагружают горизонтально расположенный контрольный образец изделия до величины минимального его нагружения в скважине;
- производят дальнейшее нагружение контрольного образца от величины минимального до величины максимального его нагружения в скважине;
- одновременно с момента нагружения изделия от величины минимального его нагружения перемещают вдоль изделия намагничивающую и измерительную системы;
- уменьшают механическую нагрузку изделия от величины максимального до величины минимального его нагружения в скважине, продолжая при этом перемещать намагничивающую и измерительную системы вдоль изделия;
- производят продольное намагничивание изделия до насыщения путем перемещения по всей длине изделия от его начала до конца двух согласно включенных обмоток системы намагничивания, подключенных к источнику постоянного тока питания таким образом, что магнитное поле в изделии совпадает с направлением перемещения этих обмоток;
- регистрируют сигнал остаточного магнитного поля в зоне искусственного концентратора магнитных полей рассеяния выносными измерительными обмотками 8 во время их перемещения вслед полю намагничивания от начала изделия до его конца и одновременно записывают информацию на диаграммной ленте;
- затем на контрольном образце из каждой партии изделий увеличивают глубину искусственных концентраторов магнитных полей рассеяния;
- производят повторно на контрольном образце процесс нагружения, намагничивания, измерения и регистрации остаточного магнитного поля в зоне искусственного концентратора магнитных полей рассеяния с одновременной записью информации на диаграммной ленте;
- по данным измерений и регистрации уровней сигнала на контрольном образце из каждой партии изделий получают зависимости величины сигнала измерительной системы от площади поперечного сечения искусственного концентратора магнитных полей рассеяния;
- вырезают и готовят из участка контрольного образца с искусственным концентратором в каждой партии изделий темплеты для металлографического исследования структуры изделия, необходимые для последующей оценки структуры исследуемого изделия;
- на исследуемом изделии с известной дефектограммой, полученной заранее, выявляют зоны с экстремальными значениями сигналов измерительной системы;
- выполняют в этих зонах искусственные концентраторы магнитных полей рассеяния, идентичные по геометрической форме и величине раскрытия искусственным концентратором магнитных полей рассеяния на контрольных образцах;
- затем исследуемое изделие подвергают процессу нагружения, намагничивания, измерения и регистрации остаточного магнитного поля в зоне искусственного концентратора магнитных полей рассеяния при указанных режимах нагружения и намагничивания;
- по уровню сигнала от остаточного магнитного поля в зоне искусственного концентратора магнитных полей рассеяния и по площади поперечного сечения этого концентратора на семействе зависимостей для контрольных образцов находят кривую, которая характеризует режим термообработки исследуемого изделия;
- а о структуре исследуемого изделия (балл зерна, перлит, сорбит, феррит и т. д. , а также количественное соотношение между ферритом и перлитом и другими составляющими) судят по темплету, изготовленному из контрольного образца данной партии изделий. Пример осуществления способа. Изделие 3 укладывали в захваты 2 универсальной растягивающей машины 1 (фиг. 1). Нагружали изделие 3 до величины минимального нагружения его в скважине (F₁= 1000 кГс) при помощи универсальной растягивающей машины 1. Продолжали нагружение предварительно растянутого изделия 3 до величины максимального его нагружения в скважине (F₂= 3000 кГс) и одновременно с момента нагружения изделия F₁= 1000 кГс начинали намагничивать изделие 3 постоянным током I_н= 2,7 А. Продольное намагничивание изделия 3 осуществляли путем перемещения на платформе 4 расположенных коаксиально к изделию 3 обмоток 5 намагничивания. Передвижение платформы 4 было осуществлено с помощью гибкой тяги 10, уложенной на барабан 11. Намагничивание производили постоянным магнитным полем обмоток 5 намагничивания до насыщения, при этом магнитное поле в теле изделия от каждой обмотки 5 намагничивания совпадало с направлением движения этих обмоток 5. После достижения нагружения изделия 3 величины, соответствующей максимальному его нагружению в скважине (F₂= 3000 кГс), снимали постепенно механическую нагрузку до величины, соответствующей минимальному нагружению изделия в скважине (F₁= 1000 кГс), при этом процесс перемещения обмоток и, следовательно, процесс намагничивания изделия 3 продолжался непрерывно до тех пор, пока платформа 4 не занимала конечное положение. Изменение нагрузки по длине изделия и во времени определялось величиной 500 кГс на длине 1 м за 0,5 с. Возможны и другие варианты изменения растягивающей нагрузки, когда максимальное нагружение может приходиться не на середину длины изделия 3. Измерение магнитного поля рассеяния осуществляли посредством двух обмоток 6 измерительной системы, при этом выход этих обмоток 6 был подключен на первый вход быстродействующего самопишущего прибора Н 338/4 (не показан). Обмотки 6 перемещали вдоль изделия одновременно с обмотками 5 намагничивающей системы. Наличие любого дефекта типа "несплошность" в изделии приводит к перераспределению магнитного потока, пронизывающего изделие в продольном направлении. При входе дефекта несплошности в магнитное поле первой обмотки 5 (фиг. 2) магнитный поток этой обмотки 5 легко обтекает дефект, не вызывая появления ЭДС в обмотках 6 измерительной системы, так как нет изменений характера силовых линий в ферромагнитном диске 7. При попадании дефекта в зону первой обмотки 6 измерительной системы (фиг. 3) происходит перераспределение основного магнитного потока. Величина потока, обтекающего дефект и ответвляющегося в ферромагнитный диск 7, уменьшается, и векторная сумма потоков Ф₁ + Ф₂ в диске 8 будет не равна нулю, вследствие чего на выходе первой измерительной обмотки 6 появляется ЭДС (двухполярный импульс). При попадании дефекта несплошности в зону ферромагнитного диска 7 векторная сумма потоков Ф₁+ +Ф₂ равна нулю, и сигнал на выходе измерительных обмоток 6 отсутствует. При входе дефекта несплошности в зону второй измерительной обмотки 6 в ферромагнитном диске 7 вновь возникает ненулевая векторная сумма потоков Ф₁ + +Ф₂ , и во второй измерительной обмотке 6 наводится ЭДС (двухполярный импульс). Благодаря встречному включению измерительных обмоток 6 импульсы ЭДС первой и второй обмоток 6 совпадают по фазе, и на вход быстродействующего самопишущего прибора поступает однополярный суммарный импульс. При последующем прохождении дефекта несплошности через зону второй обмотки 5 намагничивания ЭДС в измерительных обмотках 6 отсутствует. Таким образом, магнитное поле рассеяния над дефектом несплошности видеоизменяет путь прохождения силовых линий, охватывающих измерительные обмотки 6 и входящих в ферромагнитный диск 7. Изменение длины силовой линии обусловлено геометрическими размерами дефекта: величиной раскрытия дефекта и площадью поперечного сечения. При перемещении вдоль изделия 3 намагничивающей и измерительной систем одновременно с регистрацией сигналов производили запись информации на диаграммной ленте. Такому контролю подвергали разные партии изделий, причем каждая партия была одного года выпуска, одного предприятия, одной плавки, одного режима термообработки и материала стали. Из каждой партии изделий по полученным дефектограммам отбирали контрольный образец. Затем в теле контрольного образца выполняли искусственные концентраторы магнитных поле рассеяния (один или более) типа "отверстие" при помощи пальчиковой фрезы или типа "пропил" при помощи дисковой фрезы. После этого изделие 3 вновь подвергали нагружению от величины минимального нагружения в скважине (F₁= 1000 кГс) до величины максимального его нагружения в скважине (F₂= 3000 кГс) и постепенно снимали механическую нагрузку до величины минимального нагружения изделия в скважине (F₁= 1000 кГс). Одновременно с нагружением изделия 3 производили его намагничивание постоянным током (I_н= 2,7 А) до насыщения путем перемещения от конца изделия 3 до его начала двух обмоток 5 намагничивания на платформе 4. При этом магнитное поле в изделии 3 от каждой обмотки 5 совпадает с направлением движения этих обмоток 5. Измерение остаточного магнитного поля, вызванного искусственным концентратором магнитных полей рассеяния, осуществляли посредством той пары выносных обмоток 8 измерительной системы, которая обеспечивает измерение сигнала вслед полю намагничивания (в зависимости от выбора направления перемещения намагничивающей системы (фиг. 1). Переключение пар обмоток 8 осуществляли при помощи коммутатора. При входе искусственного дефекта в зону первой выносной обмотки 8 измерительной системы (фиг. 4) остаточное магнитное поле рассеяния дефекта вызывает появление ЭДС (двухполярный импульс) в этой обмотке 8. В дальнейшем при входе искусственного концентратора в зону второй выносной обмотки 8 появляется ЭДС и в этой обмотке. А так как обмотки 8 включены встречно и между ними размещен ферромагнитный диск 9 (фиг. 1), то импульсы ЭДС этих обмоток 8 совпадают по фазе, и на второй вход быстродействующего самопишущего прибора Н 338/4 поступает однополярный суммарный импульс. Импульсы другой полярности срезаются полупроводниковым диодом. Запись информации одновременно вели на диаграммной ленте. Затем на контрольном образце каждой партии изделий увеличили глубину (h) искусственного концентратора (а следовательно, и площадь поперечного сечения этого концентратора) при сохранении геометрической формы и величины раскрытия дефекта (В= 0,8 мм). После этого повторно контрольный образец нагружали, намагничивали при указанных режимах нагружения и намагничивания и одновременно с этим измеряли и регистрировали остаточное магнитное поле в зоне искусственного концентратора магнитных полей рассеяния при входе его в поле выносной обмотки 8 измерительной системы с одновременной записью на диаграммной ленте. Затем вырезали и готовили из участка контрольного образца с искусственным концентратором магнитных полей рассеяния в каждой партии изделий темплеты для металлографического исследования структуры насосной штанги, которые необходимы для последующей оценки качества режима термообработки. По данным измерений и регистрации величины: h - глубины искусственного концентратора магнитных полей рассеяния, А - амплитуды сигнала [при постоянном (В) раскрытии концентратора] строили семейство характеристик зависимости уровня сигнала (А) от остаточного магнитного поля к площади поперечного сечения искусственного концентратора (гулина концентратора h при постоянном раскрытии концентратора В) для различных режимов термообработки (см. фиг. 5 и 6). Поскольку площадь поперечного сечения искусственного концентратора - это площадь поражения изделия, которая влияет на характер изменения плотности основного магнитного потока в поперечном сечении изделия, ограниченном этим концентратором магнитных полей рассеяния, то поэтому площадь поперечного сечения концентратора будет основным параметром, характеризующим нарушение структуры. Но на практике замерить площадь поперечного сечения концентратора с высокой точностью не представляется возможным. Однако можно с высокой точностью замерить глубину концентратора и диаметр изделия. Поэтому площадь поперечного сечения концентратора находили расчетным путем с точностью определения глубины концентратора (h). Площадь поперечного сечения искусственного концентратора магнитных полей рассеяния Sд связана с глубиной этого концентратора h следующим выражением:
^S∂ ^{= arccos - -h) x} где D - диаметр изделия;
h - глубина искусственного концентратора. Из семейства характеристик, представленных на фиг. 5 и 6, следует, что уровень сигнала (А) с выхода обмотки 8 измерительной системы зависит от площади поперечного сечения концентратора магнитных полей рассеяния (глубины концентратора при постоянной величине раскрытия концентратора В), а также от режима термообработки изделий. Кривая 1 (фиг. 5) характеризует по паспортным данным изделие, подвергнутое закалке с нагревом ТВЧ с механической обкаткой роликами ее наружной поверхности. Кривые 2, 3 и 4 (фиг. 5) характеризуют по паспортным данным нормализованные изделия (ферритоперлитная смесь), а по результатам металлографического анализа по темплетам контрольных образцов соответствующих партий изделий кривые 2, 3 и 4 (фиг. 5) характеризуются отклонениями в структуре металла (например, крупнозернистая и мелкозернистая структура, ферритоперлитная смесь с различной долей ферритной составляющей и т. д. ). Кривая 1 (фиг. 6) по паспортным данным характеризует изделие, подвергнутое режиму термообработки - сорбитации. Микроструктура стали этого изделия (по темплету) представляет смесь феррита и мелких частиц цементита. Кривая 2 (фиг. 6) характеризует изделие, подвергнутое термообработке, - нормализации с последующим поверхностным упрочнением изделия по всей длине нагревом ТВЧ на глубину 2-3,5 мм (согласно паспортным данным). Однако в действительности характер кривой на фиг. 6 и ее совпадение с кривой 3 (фиг. 6) и с кривой 4 (фиг. 5) указывает на отклонение в режиме термообработки изделия), по данным металлографического анализа данное изделие имеет крупнозернистую ферритоперлитную структуру, практически идентичную структуре нормализованных образцов). Были проведены исследования изделия, например 18Н1И. 344, N 1, для которого установили зависимость амплитуды остаточного магнитного поля, вызванного искусственным концентратором типа "ступенчатое отверстие", от глубины этого концентратора. По данным измерений и регистрации величин h¹ - глубины концентратора, А - амплитуды сигнала (при постоянной величине hl, например h^l= 10,5 мм) строили кривые при различных диаметрах отверстия (фиг. 7). Из графиков (фиг. 7) следует, что остаточное магнитное поле наиболее полно выявляется при большем диаметре отверстия (кривая 3). Также был проведен контроль режима термообработки по длине изделия. По данным измерений амплитуды сигнала и глубины концентратора построили кривые, характеризующие качество термообработки двух близлежащих участков изделия 19Н7И. 875 (фиг. 8, кривые 1) и изделия 19Н7Б. 281, N 2 (фиг. 8, кривые 2). Например, для контрольного образца изделия 19Н7Б. 281, N 2 по дефектограмме выбрали анализируемые участки с разными структурами: первый участок - на расстоянии 5340 мм, а второй участок - на расстоянии 6550 мм от торца изделия. На каждом участке выполнили искусственные концентраторы магнитных полей рассеяния типа "пропил". Для подтверждения правильности выбора анализируемых участков изделия провели измерение индуктивности катушки с внутренним сердечником (в качестве сердечника было взято изделие) путем перемещения этой катушки вдоль изделия. Изменение индуктивности по длине изделия приведено на фиг. 9 и 10. Из графиков на фиг. 8 следует, что кривые, характеризующие участки изделий с повышенной долей ферритной составляющей (кривая 1 с индуктивностью 91 мГн и кривая 2 с индуктивностью 93 мГн), расположены в правой части графика и имеют более низкие механические характеристики. Данный вывод подтверждается металлографическим анализом, проведенным по темплетам, выбранным и изготовленным из участков контрольного образца изделия 19Н7Б. 281, N 1. Металлографический анализ изделия показал, что поверхностная зона и сердцевина первого анализируемого участка, вырезанного из контрольного образца на уровне 5340 мм (с индуктивностью 80 мГн), имеет более мелкое зерно (10 баллов) и более высокую микротвердость (2300-2500 МПа), чем у второго участка этого изделия, вырезанного из контрольного образца на расстоянии 6550 мм (с индуктивностью 89 - 93 мГн)/ где величина зерна 9 баллов/ а микротвердость 2180 - 2300 МПа. Для определения вида и качества термической обработки исследуемого изделия/ например штанги 19П8ГИ/ МО30 (данная партия насосных штанг соответствует по паспортным данным режиму термообработки - закалка и высокий отпуск)/ на поверхности этого изделия/ произвольно выбранного из партии/ выполнили дисковой фрезой на двух участках пропилы - искусственные концентраторы магнитных полей рассеяния - на расстояниина 3875 мм и 4875 мм от торца. Это изделие нагружали/ намагничивали и производили измерение и регистрацию сигнала остаточного магнитного поля при указанных режимах нагружения/ намагничивания и измерения. Данные операции повторяли при каждом увеличении глубины пропила h. По данным измерений и регистрации величины амплитуды сигнала (A) и глубины концентратора (h) строили кривые 4 и 5 (фиг. 6). Из графика следует/ что кривые 4 и 5 расположены по обе стороны относительно кривой 1/ которая характеризует изделие с режимом термообработки - сорбитизация. Кривая 5 (исследуемая насосная штанга 19П8ГИ/ МО30/ фиг. 6) по структуре подобна структуре изделия/ прошедшего сорбитизацию/ а кривая 4 характеризует участки изделия с заниженной твердостью поверхности. Таким образом/ участок изделия/ выбранный на расстоянии 1875 мм щт торца изделия (кривая 4/ фиг. 6)/ по структуре отличается от участка изделия/ выбранного на расстоянии 4875 мм от торца изделия (кривая 5/ фиг. 6). Металлографический анализ изделия показал/ что первый анализируемый участок (представленный темплетом)/ вырезанный из контрольного образца на расстоянии 3875 мм с твердостью H_в - 217 (по Бринелю)/ состоит из зернистого перлита/ второй участок этого изделия/ вырезанный из эталонного образца расстоянии 4875 мм, где твердость Н_в 302 (по Бринелю) и микроструктура стали - сорбит. Таким образом, по указанным исследованиям изделий (штанг) можно судить о качестве режимов термообработки каждой партии насосных штанг, а также возможно судить о качестве термообработки как по длине (т. е. оценить) качество термообработки одного участка штанги по отношению к другому), так и по поперечному сечению. (56) Авторское свидетельство СССР N 1481668, кл. G 01 N 27/82, 1987.

Формула изобретения

1. СПОСОБ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРЫ ПРОТЯЖЕННОГО ФЕРРОМАГНИТНОГО ИЗДЕЛИЯ, заключающийся в том, что изделие одновременно нагружают, намагничивают до насыщения, перемещая вдоль изделия намагничивающую и измерительную системы, и по измеренному сигналу определяют структуру изделия, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности определения структуры изделия, предварительно на контрольных образцах известной структуры получают зависимости величины сигнала измерительной системы от площади поперечного сечения искусственного концентратора магнитного поля рассеяния, в процессе контроля структуры исследуемого изделия выявляют зоны с экстремальными значениями сигналов измерительной системы, выполняют в этих зонах искусственные концентраторы магнитных полей рассеяния с заданной площадью поперечного сечения и структуру исследуемого изделия определяют, сравнивая сигналы измерительной системы от искусственных концентраторов магнитных полей рассеяния с полученной ранее зависимостью для контрольных образцов. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что искусственный концентратор магнитных полей рассеяния выполнен в виде прорезей или кольцевой канавки, или сверлений заданной площади поперечного сечения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 13.01.2003

Номер и год публикации бюллетеня: 13-2004

Извещение опубликовано: 10.05.2004        

---