Способ для оценки остаточного ресурса изделий из ферромагнитных сталей и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано для оценки остаточного ресурса изделий из ферромагнитных сталей, в частности остаточного ресурса элементов и узлов энергооборудования. Сущность: магнитную проницаемость определяют при различных значениях частоты электрического тока, возбуждающего магнитное поле в контролируемом изделии. Об остаточном ресурсе изделия судят по расположению кривой на графике зависимости магнитной проницаемости от частоты. Устройство содержит сканер, выполненный в виде ферритового П- или Ш-образного сердечника с первичной и вторичной обмотками. Первичная обмотка через нагрузочный резистор, усилитель мощности и буферный усилитель подключена к линейному выходу звуковой карты компьютера. На стереовход указанной карты к одному из каналов подключена вторичная обмотка, к другому - указанный нагрузочный резистор. Технический результат: повышение оценки остаточного ресурса изделий из ферромагнитных сталей. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано для оценки остаточного ресурса изделий из ферромагнитных сталей, в частности остаточного ресурса элементов и узлов энергооборудования электростанций.

Известен способ оценки состояния изделий из ферромагнитных сталей, в частности стальных котельных труб, по величине, коррелирующей с сопротивлением материала трубы намагничиванию, например, по коэрцитивной силе [1]. Такой способ не обладает достаточной точностью и энергоемок, так как для снятия гистерезисной кривой требует полного перемагничивания изделия.

Известен принимаемый в качестве прототипа предлагаемого способа способ оценки остаточного ресурса изделий из ферромагнитных сталей по величине их магнитной проницаемости [2]. Этот способ не требует перемагничивания изделия, но применительно к котельным трубам также связан с большими погрешностями измерений, обусловленными наличием окалины и отложений, а также неравномерной намагниченностью труб.

Достигаемым результатом способа и устройства согласно изобретению является повышение точности оценки остаточного ресурса изделий из ферромагнитных сталей.

Применительно к способу указанный результат обеспечивается тем, что в способе оценки остаточного ресурса изделий из ферромагнитных сталей по величине их магнитной проницаемости согласно изобретению магнитную проницаемость определяют при различных значениях частоты электрического тока, возбуждающего магнитное поле в контролируемом изделии, а об остаточном ресурсе изделия судят по расположению соответствующей кривой на графике зависимости магнитной проницаемости от частоты, учитывая, что чем ниже расположена кривая, тем меньший остаточный ресурс имеет изделие.

Известно устройство для определения магнитной проницаемости изделий из ферромагнитных сталей, выполненное в виде цифрового феррозондового магнитометра [3], предназначенного для осуществления способа по прототипу [2]. Недостатки известного устройства связаны с недостатками указанного прототипа и перечислены выше.

Прототипа устройства согласно изобретению для определения зависимости магнитной проницаемости изделия из ферромагнитной стали от частоты выявлено не было.

В части устройства указанный выше достигаемый результат изобретению обеспечивается тем, что устройство для определения зависимости магнитной проницаемости изделия из ферромагнитной стали от частоты, согласно изобретению содержит сканер, выполненный в виде ферритового П- или Ш-образного сердечника с первичной и вторичной обмотками, из которых первичная обмотка через нагрузочный резистор, усилитель мощности и буферный усилитель подключена к линейному выходу звуковой карты компьютера, а на стерео вход указанной карты к одному из каналов подключена вторичная обмотка, к другому - указанный нагрузочный резистор.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства согласно изобретению; на фиг.2 - график зависимости отношения амплитуд выходных сигналов от частоты возбуждающего магнитное поле электрического тока для образца из стали 12Х1МФ при различных степенях поврежденности.

Устройство согласно изобретению (фиг.1) содержит сканер, выполненный в виде ферритового (на чертеже П-образного) сердечника 1 с первичной и вторичной обмотками соответственно L₁ и L₂. Первичная обмотка L₁ через нагрузочный резистор R_н, усилитель мощности 2 и буферный усилитель 3 подключена к линейному выходу LO (Line Out) звуковой карты компьютера (на чертежах не показаны), а на стерео вход указанной карты к одному из каналов R (Right) подключена вторичная обмотка ₂, к другому L (Left) - нагрузочный резистор R_н. Свободные торцы сердечника 1 устанавливаются на поверхности исследуемого изделия, например, стальной трубы 4, через которую замыкаются линии возбуждаемого магнитного потока (на чертежах не показаны).

Способ согласно изобретению с помощью устройства (фиг.1) осуществляют следующим образом. Процессы ввода и вывода аудио сигнала из звуковой карты персонального компьютера, работающей в режиме Full Duplex, протекают одновременно. Фактически, звуковая карта вместе с компьютером работает как генератор тестового сигнала и как измерительный прибор. Напряжение U₁ с линейного выхода LO звуковой карты через буферный усилитель 3 подается на первичную обмотку (обмотку возбуждения) L₁ сканера. Сигнал с напряжением U₂ на вторичной (приемной) обмотке L₂ сканера пропорционален (L_эфi)/t, где L_эф и i соответственно - эффективная индуктивность и ток, t - время. Поскольку 1/L_эф= 1/L_c+1/L_и, где L_c и L_и - индуктивности соответственно сердечника 1 и исследуемого изделия 4, и поскольку L_c~S_cc, L_и~S_ии, а _c>>_и и S_c>>S_и, то _иL_эфL_и~_и и U₂~_иFI, где F - частота, I - амплитудное значение тока в обмотке возбуждения L₁. Напряжение U₂ со вторичной обмотки L₂ сканера подается на правый канал R стерео входа звуковой карты, опорное напряжение U_оп, снимаемое с нагрузочного резистора R_н (пропорциональное току I) - на левый канал стерео входа. Для получения сигнала, пропорционального магнитной проницаемости _и, анализируется отношение сигналов U₂/U_оп.

Настройка параметров входного и выходного сигналов осуществляется программно. Оцифровка сигналов производится на частоте 44,1 кГц с разрядностью 16 бит. Выходной сигнал представляет постоянную по амплитуде синусоиду, свипируемую с частотой 0,01 Гц в пределах 20-2000 Гц. Измерительный участок внутри указанного диапазона может быть выбран произвольно. При этом важно лишь, чтобы для двух сравниваемых измерений соответствующие кривые при минимальной разнице в степени поврежденности сравниваемых образцов по возможности дальше отстояли (различались) одна от другой. Кроме того, с увеличением измерительного участка диапазона, особенно в сторону меньших частот, существенно возрастает длительность измерений.

Входной сигнал обрабатывается по методу быстрого преобразования Фурье (FFT). При этом результат обработки представляет частотную зависимость логарифма отношения сигналов по правому и левому каналам стерео входа звуковой карты, то есть частотную зависимость магнитной проницаемости _и от частоты F в полулогарифмическом масштабе. Эта зависимость выводится на монитор компьютера в режиме реального времени. Поскольку в результате анализируется отношение сигналов по входным каналам, автоматически корректируется частотно-температурная зависимость усилительных каскадов схемы. При умеренной крутизне хода кривой возможна выдача анализируемого отношения сигналов и в обычных (не логарифмических) координатах. Частотная зависимость отношения указанных сигналов на примере фиг.2 относится к образцам стали 12Х1МФ, представляющим выборки из паропроводов тепловых электростанций. Из графиков видно, что в интервале частот 100-1000 Гц с ростом повреждаемости стали ее магнитная проницаемость уменьшается. Верхняя кривая характеризует образец, оцененный по результатам металлографического анализа третьим баллом, а нижняя - пятым баллом по шкале микроповреждаемости (ОСТ 34-70-600-96), что соответствует доле остаточного ресурса работы изделия соответственно 40 и 20%. При частоте 900 Гц этим значениям остаточного ресурса для верхней кривой соответствует ордината 1 дБ, для нижней - 0 дБ.

Объективность и высокая точность способа оценки остаточного ресурса изделий из ферромагнитных сталей согласно изобретению определяется возможностью обработки спектра сигнала в различных частотных интервалах в зависимости от состава металла исследуемого изделия, возможностью анализа нескольких параметров кривой частотной зависимости, а также возможностью зондирования изделия по глубине металла.

Источники информации 1. Авторское свидетельство СССР 571658, 2 G 01 N 17/00, 1976.

2. Магнитный метод определения перегретых труб из стали 20 и 12Х1МФ поверхностей нагрева паровых котлов. - Богачев В.А. и др. - Электрические станции. 1995, 3, с.13.

3. Применение магнитного метода контроля металла поверхностей нагрева паровых котлов. - Богачев В.А., Злепко В.Ф. - Теплоэнергетика. 1995, 4, с. 21, рис.7.

Формула изобретения

1. Способ оценки остаточного ресурса изделий из ферромагнитных сталей по величине их магнитной проницаемости, отличающийся тем, что магнитную проницаемость определяют при различных значениях частоты электрического тока, возбуждающего магнитное поле в контролируемом изделии, а об остаточном ресурсе изделия судят по расположению соответствующей кривой на графике зависимости магнитной проницаемости от частоты, учитывая, что, чем ниже расположена кривая, тем меньший остаточный ресурс имеет изделие.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частоту электрического тока изменяют в диапазоне 20-2000 Гц.

3. Устройство для определения зависимости магнитной проницаемости ферромагнитного изделия от частоты, отличающееся тем, что оно содержит сканер, выполненный в виде ферритового П- или Ш-образного сердечника с первичной и вторичной обмотками, из которых первичная обмотка через нагрузочный резистор, усилитель мощности и буферный усилитель подключена к линейному выходу звуковой карты компьютера, а на стереовход указанной карты к одному из каналов подключена вторичная обмотка, к другому - указанный нагрузочный резистор.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2