Определение технического состояния ГТД неразрушающим контролем

1.

Раздел №3. Определение технического состояния ГТД
неразрушающим контролем.
1
Тема №4. Исследование деталей ГТД токовихревым методом
Учебные вопросы:
1.Возникновение и распределение вихревого
материале.
2.Виды вихретоковых преобразователей.
тока
в
проводящем

2.

ЛИТЕРАТУРА
2
1. Неразрушающие методы контроля технического состояния воздушных
судов. Д. Ю. Киселев, И.М. Макаровский. ФГАОУ «САМАРСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П.
КОРОЛЕВА», 2017 год
2. Восстановление боевой авиационной техники. А.М. Сафин, ВОЕННОВОЗДУШНАЯ АКАДЕМИЯ им. проф. Н.Е.ЖУКОВСКОГО и Ю.А. ГАГАРИНА, 2016г.

3.

1. Возникновение и распределение вихревого тока в проводящем
материале.
3
Вихревые токи (токи Фуко) Iвт это замкнутые электрические токи,
возникающие в объеме токопроводящего материала под воздействием
переменного магнитного потока.
1) в соответствии с законом Ома, если подать напряжение на концы
проводника в виде катушки, то в ней возникнет ток i1;
2) ток катушки формирует магнитное поле и магнитный поток Ф1,
сконцентрированный в центре катушки;
3) вследствие закона электромагнитной индукции в
токопроводящем материале под действием переменного
магнитного потока формируется Э.Д.С.;
4) Э.Д.С, в силу малого сопротивления в электропроводящем
материале, находящемся рядом с катушкой, приводит к
возникновению тока i2, называемого вихревым;
5) вихревые токи, в свою очередь, формируют собственный
магнитный поток Ф2, который направлен встречно по отношению к
первичному Ф1;
Рис.1. Электромагнитное взаимодействие в
катушке вблизи электропроводящего материала

4.

1. Возникновение и распределение вихревого тока в проводящем
материале.
Распределение вихревых токов зависит от частоты первичного
переменного поля, магнитной проницаемости материала, удельного
электрического сопротивления материала, а также от геометрии объекта
контроля в районе расположения датчика.
При возбуждении вихревых токов в листе
металла катушкой с протекающим по ее
виткам током максимальная плотность
вихревых токов будет наблюдаться в
поверхностном слое объекта,
непосредственно под витками катушки.
При удалении вдоль поверхности от витков
катушки плотность вихревых токов будет
уменьшаться по закону, близкому к
Рис.2 Распределение плотности вихревых
экспоненциальному. (рис. 2).
токов в токопроводящей среде в
поверхностном слое
4

5.

1. Возникновение и распределение вихревого тока в проводящем
материале.
5
Важной характеристикой детектируемых
вихревых
токов
является
глубина
их
проникновения. При анализе распределения
вихревых токов по глубине объекта можно
наблюдать уменьшение амплитуды с ростом
глубины подчиняющееся экспоненциальному
закону и на большой глубине она уже мала
настолько, что практически не влияет на
формирование магнитного потока. (Рис 3):
Рис 3 Распределение плотности вихревых токов в
токопроводящей среде по глубине объекта

6.

1. Возникновение и распределение вихревого тока в проводящем
материале.
6
Для количественной
оценки
ослабления
вихревых
токов
в
различных металлах и при
различной
частоте
введено
понятие
«условная
глубина
проникновения вихревых
токов» – δ.

7.

1. Возникновение и распределение вихревого тока в проводящем
материале.
7

8.

1. Возникновение и распределение вихревого тока в проводящем
материале.
Вихревые
токи
являются
индукционными и протекают в строго
определенным
направлениям,
замыкаются в объеме токопроводящей
среды, как правило, по кольцевым
(вихревым) траекториям.
Плоскость вихревых токов всегда
перпендикулярна
направлению
возбуждающего их магнитного потока.
Если магнитный поток пронизывает
плоский проводник нормально его
плоскости (рис. 4), то в проводнике
возникают вихревые токи.
Рис. 4. Возбуждение вихревых токов в плоском
проводнике:
а – магнитный поток направлен нормально
плоскости проводника и
вызывает возникновение вихревых токов
кольцеобразной формы
8

9.

1. Возникновение и распределение вихревого тока в проводящем
материале.
В случае если магнитный поток пронизывает проводник вдоль его
плоскости (рис. 5), вихревые токи ограничены объемом электропроводящей
среды.
Рис. 5. Возбуждение вихревых токов в
плоском проводнике:
б – магнитный поток направлен вдоль
плоскости проводника, вихревые
токи ограничены размерами
электропроводящего материала
9

10.

1. Возникновение и распределение вихревого тока в проводящем
материале.
Свойство возникновения вихревых токов только в электропроводящей
среде положен в основу вихретоковой дефектоскопии. Дефект (трещина)
выступает в роли изолирующего слоя и дробит вихревые токи (рис. 6),
уменьшая их действие на измерительную систему преобразователя. Когда в
объекте контроля под датчиком окажется трещина, то вихревые токи будут
обтекать ее с обеих сторон Измененный контур приводит к изменению
плотности вихревых токов, и как следствие электромагнитное поле,
созданное этими токами, меняет свои характеристики. По этим отклонения
выполняется анализ объекта контроля.
10

11.

1. Возникновение и распределение вихревого тока в проводящем
материале.
Рис. 6. Контуры вихревых токов:
а – на бездефектном участке; б – при частичном пересечении трещины;
в – при полном пересечении трещины
11

12.

2. Вихретоковые преобразователи.
Принципы и основные характеристики вихретокового метода контроля.
Вихретоковый преобразователь (ВТП) – устройство, состоящее из одной
или нескольких индуктивных обмоток, предназначенных для возбуждения
в объекте контроля вихревых токов и преобразования зависящего от
параметров объекта электромагнитного поля в сигнал преобразователя.
Токовихревой метод основан на анализе взаимодействии внешнего
электромагнитного поля, создаваемого вихретоковым преобразователем,
с электромагнитным полем вихревых токов, которые наводятся в
контролируемом объекте.
Наличие дефектов в области протекания вихревых токов видоизменяет их
траектории. Вследствие этого видоизменяется вторичное поле, которое
определяется вихревыми токами. Анализируя форму, амплитуду и фазу
вторичного поля вихревых токов, можно сделать вывод о наличии или
отсутствии дефектов.
12

13.

2. Вихретоковые преобразователи.
Помимо дефектов, на распределение вторичного поля вихревых
токов влияют зазор и толщина объекта контроля, поэтому метод
позволяет не только выявлять дефекты, но и измерять толщину объекта
контроля.
Токовихревой метод используется для решения следующих задач:
обнаружение
металлических
предметов
(вихретоковые
металлоискатели);
измерения геометрических размеров, толщины покрытия ЛКП
(вихретоковые толщиномеры);
структуроскопия
(контроль
химического
состава,
качества
обработки);
дефектоскопия (обнаружение несплошностей, коррозионных
повреждений).
.
13

14.

2. Вихретоковые преобразователи.
14
Параметрические и трансформаторные преобразователи.
Вихретоковые преобразователи по способу измерения электромагнитных
полей классифицируются на параметрические (рис.7) и трансформаторные
(рис. 8).
В параметрических датчиках всего
одна обмотка, которая выполняет
функции возбуждения и измерения
одновременно. А данные контроля
получают, измеряя комплексное
сопротивление ВТП.
Рис. 7 Параметрический ВТП

15.

2. Вихретоковые преобразователи.
15
Трансформаторные преобразователи содержат раздельно возбуждающую
и измерительную катушки, одна из которых генератор, другая используется
для измерения параметров (далее "измерительная обмотка").
Технически удобнее использовать
трансформаторные
преобразователи, так как в качестве
измеряемого параметра выступает
напряжение, возникающее в
измерительной катушке (обмотке),
а устройство для измерения
напряжения проще в изготовлении
Рис.8 Трансформаторный ВТП

16.

2. Вихретоковые преобразователи.
16
Классификация ВТП по расположению относительно объекта контроля.
При
проведении
контроля
важно
выбрать
такое
положение
преобразователя относительно объекта контроля, что бы возможный
дефект «разрывал» контур вихревого тока (рисунок 9 а-в) что приводит к
изменению магнитного потока вихревых токов и э.д.с. измерительной
катушки.
а)
б)
Рис.9 Направление дефекта относительно контура вихревого тока
в)

17.

2. Вихретоковые преобразователи.
В противном случае чувствительность к дефекту будет минимальна (рис.
10 г,д).
г)
д)
Рис.10 Направление дефекта относительно контура вихревого тока
17

18.

2. Вихретоковые преобразователи.
18
По взаимному расположению вихретокового преобразователя и объекта
контроля ВТП делятся на накладные (Рис. 10) и проходные (Рис.11).
У накладных ВТП ось обмоток нормальна
(перпендикулярна) к поверхности объекта
контроля. У накладных ВТП ось обмоток
нормальна
(перпендикулярна)
к
поверхности объекта контроля. Накладные
преобразователи требуют сканирования
контролируемых поверхностей.
Накладные
ВТП
являются
наиболее
универсальными и используются для
контроля
плоских
поверхностей
и
поверхностей с относительно большим
радиусом кривизны.
Рис.10 Накладной ВТП.

19.

2. Вихретоковые преобразователи.
19
У проходных ВТП ось обмоток совпадает с продольной осью объекта
контроля.
Проходные
преобразователи
хорошо
обнаруживают
продольные
трещины,
поэтому их используют для контроля
различного профиля проката с целью
обнаружения дефектов, контроля изделий
круглого профиля (трубы и прутки) из
ферромагнитных и немагнитных сталей и
цветных металлов.
Рис.11 Проходной ВТП.

20.

2. Вихретоковые преобразователи.
20
Обмотка проходного ВТП может располагаться внутри объекта контроля,
тогда он будет называться внутренний проходной (рис. 12). Такие преобразователи используются для контроля внутренних поверхностных
дефектов труб.
Рис. 12
1 – объект контроля,
2 – измерительная обмотка,
3- возбуждающая обмотка

21.

2. Вихретоковые преобразователи.
21
Для контроля наружных поверхностей и поиска дефектов на них
используются преобразователи, которые охватывают объект контроля
снаружи, тогда это будет наружный проходной ВТП.
Рис. 13
1 – объект контроля,
2 – измерительная обмотка,
3- возбуждающая обмотка

22.

2. Вихретоковые преобразователи.
22
Когда возбуждающую и измерительную обмотки помещают с разных сторон
объекта контроля, то такой преобразователь называется экранным.
Экранные преобразователи
используются для контроля
профиля или поиска
поверхностных и внутренних
дефектов. Применение
экранных преобразователей
ограниченно, так как ими
можно успешно
контролировать только достаточно тонкие объекты.
Рис. 14
1 – объект контроля, 2 – измерительная
обмотка, 3- возбуждающая обмотка

23.

2. Вихретоковые преобразователи.
23
Конструкция и изготовление вихретоковых преобразователей
Конструкция ВТП зависит от его назначения, конструктивных особенностей
объекта контроля, наличия мешающих параметров, требуемых параметров
сигналов цепи возбуждения и измерительной цепи.
Вихретоковый преобразователь состоит из следующих элементов:
- катушки (возбуждающая и измерительные, количество которых зависит от типа
ВТП);
- ферромагнитного сердечник (повышающий чувствительность и локальность
электромагнитного взаимодействия);
- корпуса для размещения указанных элементов и удержания ВТП рукой или
системой перемещения и стабилизации положения относительно объекта
контроля;
- износостойкого протектора из неэлектропроводного материала, защищающий
при контакте с объектом контроля и обеспечивающий необходимый зазор, и
профиль для перемещения по поверхностям сложной конфигурации;
- соединительные разъемы и кабели.

24.

2. Вихретоковые преобразователи.
24
Катушки обмоток ВТП изготавливают путем намотки изолированного тонкого
медного провода на каркас или методом литографии (путем «травления» медного
слоя на изоляционном основании).
Рис.15 Вихретоковый дефектоскоп с датчиком
типа «карандаш»

25.

2. Вихретоковые преобразователи.
25
Выводы
Достоинства вихретокового метода:
– бесконтактность метода, т. е. нет необходимости подготавливать поверхность
контроля, наносить контактную жидкость;
- эффективно выявлять выходящие на поверхности трещины глубиной от 0,15
мм, длиной от 2 мм и с шириной раскрытия 0,01 мм и более;
- отлично подходит для автоматизированного входного и выходного контроля
продукции и материалов;
- может проводиться даже при наличии ЛКП. Вихретоковому контролю, как
правило, не мешает наличие немагнитного покрытия толщиной до 2 мм;
- подходит как для основного металла, так и для всевозможных соединений
болтовых, клёпаных и сварных.
- не нуждается в расходных дефектоскопических материалах;

26.

2. Вихретоковые преобразователи.
26
- безвреден для здоровья оператора;
- может применяться для подвижных объектов.
- слабое влияние внешних погодных факторов, в том числе агрессивных сред,
в которых может находиться объект контроля
Основные недостатки метода:
- не пригоден для объектов с неоднородными магнитными и электрическими
свойствами. Наличие прижогов, наклёпа и местной намагниченности приводит
к локальным изменениям, которые, в свою очередь, провоцируют возникновение ложных индикаций;
- не способен выявлять дефекты, заполненные электропроводящими
частицами, а также несплошности, плоскость раскрытия которых параллельна
исследуемой поверхности (либо образует с ней угол менее 10 градусов);
- может не показать имеющиеся несплошности на объектах с токопроводящими покрытиями.

27.

2. Вихретоковые преобразователи.
27
- ограниченная глубина контроля исследуемой зоны, обычно до 2-3 мм.
Глубина контроля зависит от исследуемого материала, установленных параметров контроля и должна быть рассчитана для каждого конкретного случая.
- возможное искажение одного измеряемого параметра другим. При
недостаточной предварительно проведенной исследовательской работе,
возможно неправильная интерпретация результатов контроля.
- контроль можно выполнять только с токопроводящие материалы.
Специфические условий для токовихревого контроля при поиске несплошности материала:
- не должно быть значительных изменений формы поверхности и толщины
контролируемого объекта в пределах зоны контроля объекта;
- не должно быть неоднородности свойств материала по всей зоне контроля
объекта (практически невозможно эффективно контролировать сварные швы
стальных узлов, лопатки компрессора ГТД из ферромагнитного материала,
на которых есть прижоги, участки наклепа и т. д.);

28.

Задание на самостоятельную подготовку.
28
Следующее занятие:
Раздел № 3. Определение технического состояния ГТД неразрушающим
контролем.
Тема № 5. Практическое занятие. Назначение, конструкция, использование
по назначению дефектоскопа КОНСТАНТА ВД1.
Содержание задания на самоподготовку:
1. Изучить принципы возникновения и распределения вихревого тока в
проводящем материале.
2. Изучить виды вихретоковых преобразователей.
3. Оформить конспект лекций, изучить рекомендованную литературу.