Электромагнитно-акустический преобразователь

Преобразователь относится к средствам для ультразвукового контроля круглого проката. Конструкция содержит магнитную систему, катушки индуктивности, корпус, подложку, протектор и две накладки. Все элементы жестко соединены между собой. Подложка несет ряд катушек индуктивности. Протектор выполнен из немагнитного материала. Накладки сделаны из износостойкого материала. Катушки индуктивности размещены между накладками. Опорная поверхность сформирована преимущественно накладками. Повышена стабильность акустического контакта ЭМАП с неподготовленным круглым сортовым прокатом. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

Полезная модель относится к техническим средствам неразрушающей дефектоскопии, а именно к устройствам для ультразвукового (УЗ) контроля круглого сортового и трубного проката, в частности, сварных или бесшовных стальных труб.

В настоящее время электромагнитно-акустические преобразователи (ЭМАП), в частности, многоканальные, получают все большее распространение в качестве рабочих измерительных элементов установок неразрушающего контроля.

ЭМАП относятся к категории бесконтактных электроакустических преобразователей, возбуждающих упругие колебания в объекте контроля через слой воздуха. Однако даже при использовании преобразователя бесконтактного типа необходима высокая стабильность акустического контакта преобразователя с объектом контроля, без чего невозможно получение требуемой достоверности контроля.

На практике поверхность поступающего на контроль круглого сортового и трубного проката обычно покрыта разнообразными технологическими загрязнениями, включая окалину, брызги металла, грат сварного шва и т.п. Данные загрязнения снижают стабильность акустического контакта ЭМАП с объектом контроля, что ведет к падению соотношения сигнал/шум в измерительном сигнале и увеличивает опасность пропуска недопустимых несплошностей и прочих дефектов, а также повышает вероятность ложного срабатывания при отсутствии дефекта в действительности. В реальных условиях подготовка объекта контроля путем очистки его поверхности затруднена, требует наличия дополнительного оборудования и занимает лишнее время.

Из патентного документа RU 112432 U1 (10.01.2012) известен ЭМАП, содержащий магнитную систему, катушки индуктивности, подложку, протектор и накладки. Накладки известного ЭМАП выполнены из износостойкого материала и жестко скреплены с подложкой, а катушки индуктивности размещены между данными накладками в плане. Согласно RU 112432 U1 посредством износостойких накладок в известном устройстве защищены от износа и эрозии подложка и активные элементы протектора.

Однако при этом не решалась задача повышения качества контроля объектов с загрязненными поверхностями. Известный ЭМАП защищен от механических повреждений, однако при этом лишен опорной поверхности, перемещается поверх загрязнений объекта контроля, в результате чего происходит нарушение стабильности акустического контакта ЭМАП с объектом контроля, из-за проведения УЗ контроля через слой загрязнения.

Задачей является получение более достоверных результатов УЗ контроля круглого сортового или трубного проката на дефектоскопических установках с ЭМАП и ускорение процесса контроля.

Обеспечиваемый настоящей полезной моделью технический результат заключается в повышении стабильности акустического контакта ЭМАП с неподготовленным круглым прокатом.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в ЭМАП, содержащем магнитную систему, катушки индуктивности, подложку, протектор и накладки, в котором накладки выполнены из износостойкого материала и жестко скреплены с подложкой, а катушки индуктивности размещены между данными накладками в плане, по меньшей мере часть рабочей поверхности преобразователя является опорной и сформирована преимущественно указанными накладками, выполненными с возможностью функционирования в качестве опор скольжения при охвате части цилиндрического тела.

В частном случае выполнения настоящей полезной модели протектор выполнен из немагнитной стали или керамики или полимера или из их комбинации, причем магнитная проницаемость протектора µ<1,4.

В другом частном случае катушки индуктивности расположены в плане рядно, а длина накладки выбрана из условия полного перекрытия в плане ряда катушек индуктивности. При этом, в частности, накладка перекрывает ряд катушек индуктивности более чем на 110%.

Также в частном случае, накладка изготовлена из твердого сплава. В частности, сплав накладки содержит вольфрам или титан и вольфрам или титан, тантал и вольфрам. В частности, твердость сплава накладки превышает твердость объекта контроля не менее чем на 10%.

В еще одном частном случае накладка выполнена с острой рабочей кромкой.

Полезная модель поясняется следующими чертежами.

Фиг. 1: установка неразрушающего контроля труб.

Фиг. 2: конструкция типового ЭМАП (вид сбоку).

Фиг. 3: подложка ЭМАП с катушками индуктивности.

Фиг. 4: расположение протектора и износостойких накладок.

Фиг. 5: размещение элемента магнитной системы.

Фиг. 6: перекрытие накладками катушек индуктивности (вид в плане).

Фиг. 7: вариант накладки с острой передней рабочей кромкой.

Осуществление настоящей полезной модели показано на примере предпочтительного выполнения устройства.

Установка (фиг. 1) для неразрушающего контроля трубы 1 включает в себя рольганг 2 с роликами продольного перемещения и поворотными роликами, направляющие 3, измерительный модуль 4 с несколькими ЭМАП 5, а также позиционирующие приводы, систему автоматики и обработки данных.

Типовая конструкция ЭМАП 5 (фиг. 2) характеризуется наличием магнитной системы 6, катушек индуктивности 7, корпуса 8 и подложки 9, несущей рядно расположенные в плане катушки 7.

Согласно настоящей полезной модели подложка 9 имеет удлиненную форму, выполнена со сквозным технологическим окном 10 и выводами 11 под электрический кабель (фиг. 3).

ЭМАП 5 также содержит пластинчатый многофункциональный протектор 12 (фиг. 4) из немагнитного материала с магнитной проницаемостью µ1,5.

Ряд катушек индуктивности 7 и протектор 12 размещены в технологическом окне 10 подложки 9.

Кроме того, ЭМАП 5 содержит накладки 13 (фиг. 4) из износостойкого материала. Накладки 13 характеризуются удлиненной призматической формой с вогнутыми рабочими гранями, радиус кривизны которых соответствует диаметру трубы 1.

Протектор 12 и накладки 13 жестко скреплены с подложкой 9 клеевым соединением и винтовым крепежом соответственно. В свою очередь подложка 9 неподвижно соединена с магнитной системой 6 (фиг. 5) и корпусом 8 (фиг. 2). При этом катушки индуктивности 7 связаны с подложкой 9 через корытообразную пластину 14 и отдалены от поверхности трубы 1 протектором 12. Катушки индуктивности 7 находятся между первой накладкой 131 и второй накладкой 132 в плане (фиг. 6), причем накладки 13 и ряд катушек индуктивности 7 взаимно параллельны. Корпус 8 связан с позиционирующими приводами дефектоскопической установки.

По меньшей мере часть рабочей поверхности ЭМАП 5 служит для опоры данного преобразователя на трубу 1. Опорная поверхность 15 сформирована преимущественно накладками 13, играющими роль опор скольжения, и выполнена с возможностью охвата части цилиндрического тела (фиг. 7).

Магнитная система 6 и катушки индуктивности 7 электрически связаны с системой автоматики и обработки данных посредством электрического кабеля через выводы 11 подложки 9.

Устройство работает следующим образом.

Трубу 1 кладут на рольганг 2 и подают в зону контроля при помощи роликов продольного перемещения. После чего автоматика установки приводит измерительный модуль 4 в рабочее положение и позиционирующими приводами опускает ЭМАП 5 на поверхность трубы 1. Затем начинают вращать трубу 1 вокруг ее продольной оси поворотными роликами рольганга 2 с одновременным перемещением измерительного модуля 4 вдоль тела трубы 1 по направляющим 3. В результате ЭМАП 5 движутся относительно трубы 1 по спиральным траекториям, подвергая при этом трубу 1 полному сканированию и всестороннему УЗ контролю. В процессе работы ряд катушек индуктивности 7 каждого ЭМАП 5 расположен вдоль оси трубы 1.

Автоматика установки подает электрические импульсы на активные элементы ЭМАП 5, управляет работой магнитной системы 6 и катушками индуктивности 7. ЭМАП 5 возбуждает в стальной стенке трубы 1 упругие колебания и принимает отраженные от внутренних дефектов акустические сигналы. Измерительную информацию передают в систему автоматики и обработки данных.

При работе ЭМАП 5 подложка 9 с катушками индуктивности 7 скользит по поверхности трубы 1 или перемещается в непосредственной близости от нее с очень малым зазором. Для механической защиты катушки индуктивности 7 закрыты протектором 12 в форме технологического окна 10. Помимо хорошей износостойкости протектор 12 обеспечивает наилучшее прохождение УЗ волн через границу «электроакустический преобразователь - объект контроля» и высокую стабильность акустического контакта.

Принцип работы ЭМАП заключается в зарождении УЗ волны непосредственно в объекте контроля, поэтому протектор 12 не должен обладать выраженными магнитными свойствами, так как иначе УЗ волна будет возбуждена именно в нем, а не в стенке трубы 1. В качестве немагнитного материала протектора 12 целесообразно использование диамагнетиков или парамагнетиков, характеризующихся высокой стойкостью к механическому истиранию, например, немагнитной стали, керамики или полимера с низкой удельной электропроводностью. При этом протектор 12 выполняют в виде цельной детали или сборно-комбинированным, с соблюдением условия (1) для снижения уровня шумов и повышения стабильности акустического контакта.

Где µ - магнитная проницаемость протектора.

Накладки 13 из износостойкого материала образуют опорную поверхность ЭМАП 5, то есть поверхность, находящуюся при работе устройства в плотном механическом контакте с объектом контроля, благодаря чему накладки 13 способны очищать поверхность контроля от технологических загрязнений как скребки, работая при это в качестве опор скольжения ЭМАП 5. Для снижения вероятности пропуска загрязненного участка, сопровождающегося падением стабильности акустического контакта, накладкам 13 придают максимально возможный размер и формируют опорную поверхность преимущественно накладками 13.

Конструкция ЭМАП 5 и расположение преобразователя на теле трубы 1 таковы, что при спиральном сканировании одна из накладок 13, а именно первая накладка 131, движется относительно поверхности контроля впереди катушек индуктивности 7 (фиг. 6). Это достигается благодаря размещению катушек индуктивности 7 между накладками 13 в плане и выполнению опорной поверхности 15 с возможностью охвата части цилиндрического тела при ее формировании преимущественно накладками 13. При встрече с загрязнением первая накладка 131 срезает данное загрязнение. При этом первая накладка 131 подвергается высокой механической нагрузке и должна быть жестко скреплена с подложкой 9, которая в свою очередь должна быть неподвижно соединена с корпусом 8, так как в противном случае необходимое усилие не будет передано от приводов установки к накладке 131 и загрязнение не будет удалено. В результате такой очистки при УЗ контроле между активными элементами ЭМАП 5 и поверхностью контроля трубы 1 отсутствует посторонний слой загрязнения, благодаря чему стабильность акустического контакта ЭМАП 5 с неподготовленным круглым сортовым и трубным прокатом оказывается повышенной.

Вторая накладка 132 также служит для очистки поверхности контроля. Если соотношение поступательной и вращательной составляющих хода ЭМАП 5 таковы, что по меньшей мере две катушки индуктивности 7 одного ЭМАП 5 последовательно проходят над одним и тем же участком трубы 1, то последняя катушка проходит над данным участком после очистки его как первой накладкой 131, так и второй накладкой 132, счищающей остатки загрязнений, оставшихся после работы первой накладки 131. Для этого катушки индуктивности 7 должны быть расположены в плане рядно, вдоль продольной оси трубы 1, между охватывающими часть данной трубы накладками 131, 132. По этой же причине эффект от работы обеих накладок 13 усиливается, если измерительный модуль 4 несет более одного ЭМАП 5 (фиг. 1).

Наилучшие результаты по повышению стабильности акустического контакта ЭМАП с неподготовленным круглым сортовым и трубным прокатом достигаются при очистке поверхности контроля с полным перекрытием в плане накладкой 13 ряда катушек индуктивности 7. Однако и при неполном перекрытии стабильность акустического контакта также будет повышена.

На практике целесообразно соблюдение условия (2), так как при этом накладки 13 выступают относительно ряда катушек индуктивности 7 на величину, позволяющую осуществить эффективную очистку поверхности в широком диапазоне скоростей сканирования.

Где А, В и С - геометрические размеры, показанные на фиг. 6.

В качестве материала накладок 13 предпочтительно использование твердых сплавов, а именно вольфрамо-, титановольфрамосодержащих или титанотанталовольфрамовых твердых сплавов. Прочностные характеристики перечисленных сплавов позволяют достичь высокой степени очистки поверхности контроля, для чего твердость сплава накладки должна превышать твердость объекта контроля не менее чем на 10% по шкале Виккерса, Бринеля или Роквелла, что имеет значение, в частности, для удаления грата.

Показанная на фиг. 7 первая накладка выполнена комбинированной и состоит из двух частей, при этом ее рабочая кромка 16 является острой и более эффективной для очистки поверхности по сравнению с тупой рабочей кромкой 17 второй накладки, играющей в процессе очистки второстепенную роль.

В результате стабильность акустического контакта ЭМАП с неподготовленным круглым сортовым и трубным прокатом оказывается повышенной, результаты УЗ контроля более достоверными, а процесс контроля проходит в ускоренном режиме благодаря устранению необходимости предварительной очистки поверхности объекта контроля.

1. Электромагнитно-акустический преобразователь, содержащий магнитную систему, катушки индуктивности, подложку, протектор и накладки, в котором накладки выполнены из износостойкого материала и жестко скреплены с подложкой, а катушки индуктивности размещены между данными накладками в плане, отличающийся тем, что по меньшей мере часть рабочей поверхности преобразователя является опорной и сформирована преимущественно указанными накладками, выполненными с возможностью функционирования в качестве опор скольжения при охвате части цилиндрического тела.

2. Преобразователь по п. 1, характеризующийся тем, что протектор выполнен из немагнитной стали, или керамики, или полимера, или из их комбинации, причем µ<1,4, где µ - магнитная проницаемость протектора.

3. Преобразователь по п. 1, характеризующийся тем, что катушки индуктивности расположены в плане рядно, а длина накладки выбрана из условия полного перекрытия в плане ряда катушек индуктивности.

4. Преобразователь по п. 3, характеризующийся тем, что накладка перекрывает ряд катушек индуктивности более чем на 110%.

5. Преобразователь по п. 1, характеризующийся тем, что накладка изготовлена из твердого сплава.

6. Преобразователь по п. 5, характеризующийся тем, что сплав накладки содержит вольфрам, или титан и вольфрам, или титан, тантал и вольфрам.

7. Преобразователь по п. 5, характеризующийся тем, что твердость сплава накладки превышает твердость объекта контроля не менее чем на 10%.

8. Преобразователь по п. 1, характеризующийся тем, что накладка выполнена с острой рабочей кромкой.