Устройство для ультразвукового контроля изделий из электропроводных материалов

Использование: для ультразвукового контроля изделий из электропроводных материалов, например, для выявления дефектов стенок насосно-компрессорных труб. Сущность заключается в том, что устройство содержит ЭМА-преобразователи, Е-образные магнитопроводы которых объединены в единую разветвленную симметричную цепь. Магнитопроводы имеют средние крайние стойки, соединенные перекладиной, и расположены симметрично относительно продольной оси устройства. К средним стойкам прикреплены основные обмотки и присоединены с обеспечением зазора подпружиненные катушки преобразователей с магнитодиэлектрическими прокладками. Концевые участки защитных элементов, обращенные внутрь магнитной системы, выступают из отверстий и на их выступающих участках установлены вспомогательные обмотки. Технический результат: увеличение надежности работы устройства и повышение точности определения наличия дефекта в длинномерных изделиях. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов, а именно к ультразвуковому контролю, основанному на возбуждении и приеме ультразвуковых волн электромагнитоакустическим (ЭМА) методом, и может быть использовано для оценки качества длинномерных электропроводных изделий, например, для выявления локальных утонений стенок насосно-компрессорных труб.

Известно устройство для ультразвукового контроля изделий из электропроводных материалов, включающее ЭМА-преобразователь с двумя катушками индуктивности и магнитопроводом, содержащим три состыкованных противоположными полюсами плоских магнита, закрепленных на магнитопроводящей пластине (описание к авторскому свидетельству СССР №1377716, кл. G 01 N 29/04, 29.02.1988 г.). Торец преобразователя, обращенный к контролируемому изделию, имеет плоскую форму, поэтому устройство трудно использовать для контроля изделий с криволинейными поверхностями, например для изделий цилиндрической формы. Отсутствие защитных элементов требует увеличенного зазора между изделием и катушками индуктивности, что снижает точность результатов дефектоскопии.

Известно устройство для ультразвукового контроля изделий из электропроводных материалов, включающее ЭМА-преобразователь, содержащий магнитопровод, снабженный токопроводящей обмоткой, катушку возбуждения и приемную катушку (описание к патенту РФ №2031405, кл. G 01 N 29/01, 1995 г.). Устройство содержит сложную систему коррекции коэффициента усиления и регулирования амплитудного значения тока возбуждения. Необходимость использования низкочастотного излучателя и подвода сжатого воздуха усложняет реализацию изобретения.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является устройство для ультразвукового контроля изделий из электропроводных материалов, включающее электромагнитоакустический преобразователь, состоящий из катушек и магнитной системы с Е-образным магнитопроводом, в котором средняя и две крайние поперечные стойки расположены в одной плоскости и соединены между собой продольной перекладиной, катушки преобразователя взаимосвязаны с торцом средней стойки и снабжены магнитодиэлектрической прокладкой, прикрепленной к катушкам со стороны магнитопровода, а крайние стойки снабжены защитными элементами (патент ФРГ №3904440, кл. G 01 N 29/00, 23.08.1990 г.). Вследствие применения постоянного магнита величина напряженности магнитного поля в этом устройстве ограничена. Катушки преобразователя недостаточно защищены от ударов, которые возникают при прохождении под ними исследуемых участков длинномерного изделия. Поэтому к недостаткам прототипа следует отнести ненадежную защиту катушек преобразователя от ударных нагрузок и проблематичность контроля качества длинномерных изделий с цилиндрической поверхностью, например контроля толщины стенок труб и наличия в материале труб дефектов.

Техническим эффектом изобретения является увеличение надежности работы и повышение точности определения наличия дефекта в длинномерных изделиях, в частности возможность выявления утонений в стенках труб за счет уменьшения поля рассеяния и потерь в магнитной цепи.

Указанный технический эффект достигается в известном устройстве для ультразвукового контроля изделий из электропроводных материалов, включающем электромагнитоакустический преобразователь, состоящий из катушек и магнитной системы с Е-образным магнитопроводом, в котором средняя и две крайние поперечные стойки расположены в одной плоскости и соединены между собой продольной перекладиной, катушки преобразователя взаимосвязаны с торцом средней стойки и снабжены магнитодиэлектрической прокладкой, прикрепленной к катушкам со стороны магнитопровода, а крайние стойки снабжены защитными элементами за счет того, что оно дополнительно снабжено основными и вспомогательными токопроводящими обмотками, магнитная система выполнена, по меньшей мере, из двух Е-образных магнитопроводов, каждый из которых расположен симметрично относительно продольной оси устройства, противолежащие крайние стойки магнитопроводов выполнены как единое целое и с осевым отверстием, предназначенным для прохода контролируемого изделия, защитные элементы выполнены в форме полых цилиндров, длина которых превышает толщину крайних стоек, защитные элементы установлены в осевых отверстиях так, что их концевые части, обращенные внутрь магнитной системы, выступают из отверстий и на этих выступающих концевых частях установлены вспомогательные токопроводящие обмотки, а основные токопроводящие обмотки установлены на средних стойках магнитопроводов, катушки преобразователей взаимосвязаны с торцами средних стоек Е-образных магнитопроводов посредством пружин так, что между торцом стойки и магнитодиэлектрической прокладкой каждого Е-образного магнитопровода имеется зазор, устройство снабжено коммутатором, синхронизатором, генератором, усилителем, измерительным блоком и индикатором.

Предусмотрены частные случаи выполнения изобретения.

В частном случае Е-образные магнитопроводы могут быть расположены друг относительно друга под углом α=360°/n, где n - количество магнитопроводов в магнитной системе.

В другом частном случае выполнения внешняя поверхность каждого из Е-образных элементов магнитопровода в местах соединения его перекладины с крайними стойками может быть выполнена с закруглением.

Упомянутые закругления поверхности каждого магнитопровода в частном случае могут быть выполнены с радиусом, составляющим 0,8-1,2 от толщины крайней стойки магнитопровода.

Отношение площади поперечного сечения средней стойки магнитопровода к площади внутренней поверхности защитного элемента может быть не менее 0,03.

Существо изобретения поясняется следующими чертежами.

Фиг.1. Общий вид устройства для ультразвукового контроля изделий из электропроводных материалов.

Фиг.2. То же, вид сбоку.

Фиг.3. Узел крепления катушек к магнитопроводу.

Фиг.4. Функциональная схема устройства.

Фиг.5. Схема магнитной цепи и направлений в ней магнитных потоков.

Устройство для ультразвукового контроля изделий из электропроводных материалов включает катушки 1 преобразователей и магнитопровод 2 (см. фиг.1-4). Магнитопровод 2 состоит из двух Е-образных элементов. Каждый из магнитопроводов 5 образован средней поперечной стойкой 3 и двумя крайними поперечными стойками 4, расположенными в одной плоскости и соединенными продольной перекладиной 5 (термин "продольная" указывает здесь на расположение перекладин 5 вдоль технологической оси устройства). Все поперечные стойки и продольные перекладины выполнены из ферромагнитных материалов. Средняя поперечная стойка 3 каждого из Е-образных элементов магнитопровода снабжена основной токопроводящей обмоткой 6. К концам каждой из средних поперечных стоек 3 посредством пружин 7 присоединены катушки 1 преобразователей. Катушки 1 пребразователей снабжены прикрепленными к ним эластичными магнитодиэлектрическими прокладками 8, предназначенными для повышения концентрации магнитного поля (сосредоточения магнитного поля в зоне контроля). Катушки 1 выполнены одинарными с разделением по времени функций возбуждения и приема. Между прокладками 8 и концами средних поперечных стоек 3 обеспечивается зазор S, величину которого рекомендуется выбирать из интервала от 0,03 до 0,05 от диаметра контролируемого изделия. Концы противолежащих крайних поперечных стоек 4 выполнены как единое целое с осевыми отверстиями 9, геометрические оси которых совпадают с технологической осью устройства. Осевые отверстия 9 предназначены для прохода через них контролируемых изделий. В отверстиях 9 установлены защитные элементы 10, выполненные в виде полых цилиндров из ферромагнитного материала. Длина L защитных элементов 10 превышает толщину В крайних стоек 4. Концы защитных элементов 10, обращенные внутрь магнитопровода, выступают из отверстий 9. На выступающих внутрь магнитопровода концах защитных элементов 10 установлены вспомогательные токопроводящие обмотки 11. Вспомогательные токопроводящие обмотки 11 подключены к источникам постоянного тока так, чтобы при работе устройства направления инициируемых ими в магнитной цепи магнитодвижущих (намагничивающих) сил совпадали с направлениями действия магнитодвижущих сил, возникающих от основных токопроводящих обмоток 6.

Два Е-образных магнитопровода 2 расположены в одной плоскости. Таким образом, Е-образные магнитопроводы в совокупности с защитными элементами 10 и основными и вспомогательными токопроводящими обмотками 6 и 11 образуют разветвленные симметричные магнитные цепи.

Внешняя поверхность каждого из Е-образных магнитопроводов в местах соединения перекладин 5 с крайними поперечными стойками 4 выполнена с закруглением по радиусу R, величину которого рекомендуется выбирать в пределах интервала 0,8-1,2 от величины крайней поперечной стойки магнитопровода.

Помимо указанных выше узлов, устройство включает коммутатор 12, синхронизатор 13, генератор 14, усилитель 15, измерительный блок 16 и индикатор 17 (см. фиг.4).

Устройство для ультразвукового контроля работает следующим образом.

Длинномерное изделие 18 из электропроводного материала, например стальную трубу, с помощью подающих и приемных механизмов (на чертежах не показанных) пропускают через отверстия 9, снабженные защитными элементами 10. При этом между изделием 18 и катушками 1 преобразователя, а также между изделием 18 и защитными элементами 10 должны поддерживаться минимальные зазоры.

Если в результате продольного искривления или других причин поверхность изделия 18 входит в контакт с катушками 1, последние отодвигаются в сторону средней стойки 3 магнитопровода. Наличие зазора S предохраняет катушки 1 от защемления и смятия под действием изделия. В этой ситуации защитные элементы 10 выполняют функцию проводок, не допуская полного выбирания зазора S.

Пропуская постоянный ток через основные и вспомогательные токопроводящие обмотки 6 и 11, создают в магнитных цепях (элементами которых теперь являются участки контролируемого изделия) магнитные потоки (см. фиг.5). Магнитные линии проходят из стоек 3 в материал изделия, затем через полые цилиндры 10 проходят в крайние стойки 4 и через продольные перекладины 5 возвращаются в средние стойки 3. В катушки 1 подают ток возбуждения, в результате чего в изделии 18 инициируются вихревые токи. Вследствие пондеромоторного взаимодействия полей вихревых токов с магнитными полями в изделии 18 возникают акустические волны, которые отражаются от противоположной стенки изделия и дефектов (в случае их наличия) и преобразуются катушками 1 в электрические сигналы, поступающие через коммутатор 12 на вход усилителя 15. С выхода усилителя 15 сигнал поступает в измерительный блок 16 и с последнего - на индикатор 17, показывающий и фиксирующий результаты контроля.

В описанном выше примере конкретного выполнения изобретения магнитная система содержит два Е-образных элемента и они оба расположены в одной плоскости (т.е. угол α=180°). Количество Е-образных магнитопроводов может быть три, четыре и т.д. И угол между ними может составлять соответственно 120°, 90° и т. д. Такое расположение магнитопроводов дает возможность контролировать качество изделия, например трубы, в нескольких равноудаленных местах поперечного сечения, что дополнительно повышает качество и скорость операции контроля.

Выполнение закруглений внешней поверхности магнитопроводов способствует рациональному использованию ферромагнитного материала, не создавая препятствий магнитному потоку, т.к. в местах перехода из поперечных стоек 4 в продольные перекладины магнитные линии также образуют плавные закругления. Закругления с радиусом R более 1,2 толщины В боковой стойки могут привести к перенасыщению магнитного поля, а закругления радиусом R менее 0,8 от этой толщины оставят неиспользованной магнитным потоком периферийную часть магнитопроводов.

В случае, если отношение площади поперечного сечения средней стойки магнитопровода каждого из магнитопроводов составит менее 0,03 от площади внутренней части защитного элемента, возникнет вероятность перенасыщения магнитного поля в средней стойке.

В лабораторных условиях и на опытном производственном участке были проведены сравнительные испытания известного дефектоскопа и предлагаемого устройства. Контроль опытной партии насосно-компрессорных труб ГОСТ 633-80 диаметром 73 мм и толщиной стенки 5,5 мм показал, что предлагаемое устройство надежно в работе. Использование известного дефектоскопа позволяет выявлять дефекты в трубах при протяженности дефектов свыше 150 мм, в то время как предлагаемое устройство обеспечивает надежное выявление дефектов (недопустимых отклонений от номинальной толщины стенки и внутренних дефектов в материале труб) при их протяженности 25-30 мм.

1. Устройство для ультразвукового контроля изделий из электропроводных материалов, включающее электромагнитоакустический преобразователь, состоящий из катушек и магнитной системы с Е-образным магнитопроводом, в котором средняя и две крайние поперечные стойки расположены в одной плоскости и соединены между собой продольной перекладиной, катушки преобразователя взаимосвязаны с торцом средней стойки и снабжены магнитодиэлектрической прокладкой, прикрепленной к катушкам со стороны магнитопровода, а крайние стойки снабжены защитными элементами, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено основными и вспомогательными токопроводящими обмотками, магнитная система выполнена, по меньшей мере, из двух Е-образных магнитопроводов, каждый из которых расположен симметрично относительно продольной оси устройства, противолежащие крайние стойки магнитопроводов выполнены как единое целое с осевым отверстием, предназначенным для прохода контролируемого изделия, защитные элементы выполнены в форме полых цилиндров, длина которых превышает толщину крайних стоек, защитные элементы установлены в осевых отверстиях так, что их концевые части, обращенные внутрь магнитной системы, выступают из отверстий и на этих выступающих концевых частях установлены вспомогательные токопроводящие обмотки, а основные токопроводящие обмотки установлены на средних стойках магнитопроводов, катушки преобразователей взаимосвязаны с торцами средних стоек Е-образных магнитопроводов посредством пружин так, что между торцом стойки и магнитодиэлектрической прокладкой каждого Е-образного магнитопровода имеется зазор, устройство снабжено коммутатором, синхронизатором, генератором, усилителем, измерительным блоком и индикатором.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что магнитопроводы расположены друг относительно друга под углом α=360°/n, где n - количество магнитопроводов в магнитной системе.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что внешняя поверхность каждого Е-образного магнитопровода в местах соединения его перекладины с крайними стойками выполнена с закруглением.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что закругления выполнены с радиусом, составляющим 0,8-1,2 толщины крайней стойки магнитопровода.

5. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что отношение площади поперечного сечения средней стойки магнитопровода к площади внутренней поверхности защитного элемента составляет не менее 0,03.