Способ магнитного контроля протяженных изделий с симметричным поперечным сечением

Предлагаемое изобретение относится к области неразрушающего контроля в промышленности и на транспорте, в частности, может быть использовано в целях обнаружения дефектов, структурных изменений и изгибных напряжений в материале протяженных изделий, имеющих поперечное сечение в виде простой симметричной геометрической фигуры, и изготовленных из однородного ферромагнитного материала. Например, для контроля рельсового пути, различного рода профилей протяженных стальных конструкций. Отсутствие должного контроля приводит к авариям, к разрушениям рельсов и других протяженных конструкций [1, 2]. Из многих причин и предпосылок, вызывающих указанные процессы, рассмотрим только те, которые связаны с дефектами, структурными изменениями и изгибными напряжениями в ферромагнитном материале протяженных изделий, имеющих симметричную форму поперечного сечения изделия. При этом будем считать, что в каждом поперечном сечении изделия на контролируемом участке материал априори должен быть однородным по своему составу.

Существующие способы магнитного контроля имеют ряд недостатков, связанных с контролем протяженных объектов, а также с небольшой глубиной проникновения высокочастотного намагничивающего поля в материал изделия [3-5].

Наиболее близкими к предлагаемому способу являются способы магнитного контроля протяженных изделий с симметричным поперечным сечением, в которых используется намагничивающее постоянное магнитное поле для создания симметричной (относительно геометрической фигуры поперечного сечения) картины внешнего магнитного поля вокруг поперечных сечений на контролируемом участке изделия. При этом не используются возможности переменного магнитного поля, которое при одновременном намагничивании изделия с постоянным магнитным полем может улучшить достоверность и качество контроля, как по глубине изделия, так и в его поверхностных слоях [6-10].

В настоящее время в стране эксплуатируются в большом количестве протяженные изделия, такие как стальные рельсы на электрифицированных участках бесстыкового железнодорожного пути, по которым протекает переменный ток, в общем случае, форма которого отлична от синусоидальной, и может содержать постоянную составляющую при разложении в ряд Фурье, например, за счет не симметрии кривой тока относительно оси абсцисс [11].

Предлагаемый способ решает задачу определения и оценки дефектов, структурных изменений и локальных изгибных напряжений в поперечных сечениях протяженных изделий, изготовленных из однородного ферромагнитного материала, имеющих симметричную (относительно одной или более осей) геометрическую фигуру в своих поперечных сечениях.

Поставленная задача определения и оценки дефектов, структурных изменений и локальных изгибных напряжений в поперечных сечениях протяженного изделия решается таким образом, что намагничивание изделия достигается путем пропускания по нему переменного несинусоидального тока с постоянной составляющей вдоль длины изделия, который создает требуемое симметричное внешнее магнитное поле относительно оси (осей) симметрии геометрической фигуры поперечного сечения изделия [12].

При наличии однородности материала в поперечных сечениях изделия магнитная индукция на границах поперечного сечения изделия в характерных попарно симметричных точках относительно оси (осей) симметрии геометрической фигуры поперечного сечения изделия, при отсутствии дефектов, структурных изменений и изгибных напряжений в сечении будут равными друг другу по величине в любой момент времени, также как и равными друг другу будут электрические напряжения в катушках датчиков, установленных в этих же точках при их движении относительно изделия, а также при его отсутствии [7-10], рис. 1 и рис. 2.

При возникновении в материале поперечного сечения изделия дефектов, структурных изменений и изгибных напряжений, картина внешнего магнитного поля поперечного сечения будет отличной от симметричной, поэтому магнитная индукция и электрическое напряжение в соответствующих датчиках установленных в попарно симметричных точках будут не равными друг другу по величине в любой момент времени, рис. 2 и рис. 3.

Анализ разложенного в ряд Фурье несинусоидального тока, текущего по изделию, говорит о неравномерности его распределения по площади поперечного сечения изделия, так как высшие гармоники тока вытесняются к поверхностным слоям поперечного сечения [5]. Следовательно, внешнее магнитное поле, создаваемое высшими гармониками тока, будет больше нести информацию о поверхностных слоях поперечного сечения, дополняя информацию, получаемую от постоянной составляющей тока. Кроме того, неоднородности в материале поперечного сечения делают для тока сопротивление сечения нелинейным (для всей или части площади сечения), что в свою очередь искажает начальную форму кривой тока в таком сечении [11].

Тогда, измеряя магнитную индукцию и электрическое напряжение в характерных попарно симметричных точках поперечного сечения, и раскладывая их в ряд Фурье, получим их спектры для данного поперечного сечения в характерных точках. Сравнивая между собой магнитную индукцию в характерных попарно симметричных точках и сравнивая электрическое напряжение между собой в этих же точках, а также сравнивая их амплитудные значения для одних и тех же гармоник, получаем их разности, величины которых будут говорить о наличии дефектов, структурных изменениях и изгибных напряжениях в данном сечении. Распределение этой разности по гармоникам, будет говорить о характере аномалий в материале сечения. Появление новых гармоник в спектрах сигналов магнитной индукции и электрического напряжения (по сравнению с основными гармониками кривой намагничивающего тока) несет информацию о существенных структурных изменениях в материале данного сечения, которые могут быть связаны с различного рода дефектами. Идентификация дефектов, структурных изменений и изгибных напряжений в поперечном сечении протяженного изделия проводится по указанным выше признакам, а также путем сравнения полученных данных с данными других сечений на контролируемом участке изделия.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. На контролируемом участке изделия пропускается несинусоидальный ток с постоянной составляющей. Сила тока должна быть достаточной, чтобы создать симметричное внешнее магнитное поле относительно геометрической фигуры поперечного сечения изделия. При этом значения магнитной индукции и электрического напряжения в характерных попарно симметричных точках сечения должны быть равны друг другу, соответственно, при соблюдении однородности материала в сечении изделия. Выбор характерных точек зависит от вида геометрической фигуры поперечного сечения изделия, от их доступности, от опыта эксплуатации изделия и других технологических факторов. Выбор формы несинусоидального тока, если такая не определена режимом эксплуатации оборудования, в котором изделие используется, должен осуществляться для конкретного изделия опытным путем.

Технический результат реализации предлагаемого способа заключается в возможности обеспечения оперативного выполнения процесса магнитного контроля, с помощью стационарных или мобильных технических средств.

Обозначения на рисунках:

Рис. 1. Две характерные попарно симметричные точки в головке сечения рельса для измерения магнитной индукции и электрического напряжения. B₁, U₁ и В₂, U₂ - величины индукции магнитного поля и электрического напряжения в характерных попарно симметричных точках головки рельса слева и справа от оси симметрии, соответственно.

Рис. 2. Картины внешнего магнитного поля сечения рельса при пропускании по рельсу постоянного тока плотностью j=10000 А/м². В - магнитная индукция указана в Тл.

Рис. 3. Картина внешнего магнитного поля стального профиля с двумя областями, имитирующими внутренние напряжения (или структурные изменения) в материале профиля при пропускании по профилю постоянного тока плотностью j=10000 А/м². В - магнитная индукция указана в Тл.

Информационные источники

1. Почему разбиваются поезда. Евразия Вести IX 2003 // URL: http://www.eav.ru.

2. Шур, Е.А. Повреждения рельсов [Текст] / Е.А. Шур. - М.: Интекс, 2012. - 192 с.

3. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т./ Под общ. Ред. В.В. Клюева. Т. 4: В 3 кн. Кн. 1. В.А. Анисимов, Б.И. Каторгин, А.Н. Куценко и др. Акустическая тензометрия. Кн. 2. Г.С. Шелихов. Магнитопорошковый метод контроля. Кн. 3. М.В. Филинов. Капиллярный контроль. - 2-е изд., испр. - М.: Машиностроение, 2006. - 736 с.: ил.

4. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. Ред. В.В. Клюева. Т. 6: В 3 кн. Кн. 1. В.В. Клюев, В.Ф. Мужицкий, Э.С. Горкунов, В.Е. Щербинин. Магнитные методы контроля. Кн. 2. В.Н. Филинов, А.А. Кеткович, М.В. Филинов. Оптический контроль. Кн. 3. В.И. Матвеев. Радиоволновой контроль. - 2-е изд. Испр. - М.: Машиностроение, 2006. - 848 с.: ил.

5. Федосенко, Ю.К. Вихретоковый контроль: учеб. пособие / Ю.К Федосенко, П.Н. Шкатов, А.Г. Ефимов; под общ. ред. В.В. Клюева. - 2-е изд. М.: Издательский дом «Спектр», 2014. - 224 с.: ил.

6. Пат. №2387983 Российская Федерация, RU 2 387 983 С1, МПК G01N 27/82 (2006.01). Способ магнитной дефектоскопии / Степанов А.П., Степанов М.А., Милованов А.И., Саломатов В.Н., Лопатин М.В.; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщен. - №2008143039/28, заявл. 29.10.2008, опубл. 27.04.2010, Бюл. №12. - 5 с.: ил.

7. Пат. №2441227 Российская Федерация, RU 2 441 227 С1, МПК G01N 27/72 (2006.1). Способ магнитной дефектоскопии изделий в напряженном состоянии / Степанов А.П., Милованов А.И., Степанов М.А.; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщен. - №2010121417/28, заявл. 26.05.2010, опубл. 27.01.2012, Бюл. №3. - 3 с.

8. Пат. №2452943 Российская Федерация, RU 2 452 943 С1, МПК G01N 27/82 (2006.1). Способ обнаружения изгибных напряжений / Степанов А.П., Степанов М.А., Милованов А.И., Саломатов В.Н.; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщен. - №2010142042/28, заявл. 13.10.2010, опубл. 10.06.2012, Бюл. №16. - 5 с.

9. Пат. №2455634 Российская Федерация, RU 2 455 634 С1, МПК G01N 27/80 (2006.1). Способ оценки запаса прочности изделий в процессе эксплуатации /Степанов А.П., Степанов М.А., Милованов А.И., Милованова Е.А., Саломатов В.Н.; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщен. -№2010145975/28, заявл. 10.11.2010, опубл. 10.07.2012, Бюл. №19. - 5 с.

10. Пат. №2521753 Российская Федерация, RU 2 521 753 С1, МПК G01N 27/82 (2006.1). Способ оперативного обнаружения дефектов и механических напряжений в протяженных конструкциях / Степанов М.А., Степанов А.П., Пыхалов А.А.; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщен. - №2013100328/28, заявл. 09.01.2013, опубл. 10.07.2014, Бюл. №19. - 5 с.

11. Зевеке, Г.В. Основы теории цепей / Г.В. Зевеке [и др.]. - М.: Энергоатомиздат, - 1989. - 528 с.

12. Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники: Электромагнитное поле / Л.А. Бессонов. - М.: Высшая школа, 1978. - 231 с.