Прогнозирование состояния технических объектов

Диагностика технического состояния объектов нефтяных и газовых промыслов Лекция № 2 (конспект лекций) 6.Прогнозирование состояния технических объектов Выполнить достоверное прогнозирование можно только в том случае, когда известны условия, в которых ОД будет применяться. При этом под условиями понимаются: режимы использования, характер нагрузки, внешние факторы (температура, влажность и т.п.). Чем больше физических процессов, являющихся причинами деградации объекта, тем сложнее характер изменения работоспособности, тем труднее осуществить точное прогнозирование. При решении задачи прогнозирования находят применение два понятия: интерполяция или аппроксимация (лат. interpolatio — изменение), означающее определение промежуточных значений функции по некоторым известным ее значениям, экстраполяция (лат. extra+polire — сверх+гладкий), характеризующее определение значений функции за пределами интервала, где известны ее значения. При решении этой задачи имеем дело со случайными процессами, представляющими изменения случайной величины при изменении неслучайного параметра. Случайными величинами являются значения диагностических признаков, а неслучайным параметром — время. При этом изменения параметров, случайные для одного объекта, имеют устойчивый статистический характер для группы объектов. Причем явно выражена тенденция к монотонности и плавности, что является одной из решающих предпосылок для прогнозирования. Прогнозирование возможно, если в случайном процессе, характеризующем изменение параметра, можно выделить тренд (англ. trend — тенденция, уклон), т. е. принципиальной основой прогнозирования служит предположение о существовании единых закономерностей, определяющих износ или старение. Тренды, представляют собой зависимость диагностических параметров или симптомов от времени. На Рис 6.1 приведен тренд характеризующий 4 основные этапа изменения характеристик вибрации, что соответствует 4 этапам жизненного цикла оборудования. Первый этап Т1 – приработка машины, второй Т2 – нормальная работа, третий Т3 – развитие дефекта, четвертый Т4 – этап деградации (развитие цепочки дефектов с момента, когда появляется необходимость в ремонте, до момента возникновения аварийной ситуации). Рис. 6.1.. Типовой тренд изменения диагностического параметра Наибольшая практическая сложность для решения задач диагностики возникает на первом этапе. Это обусловлено возможностью появления специфических дефектов монтажа, изготовления, многие из которых после приработки исчезают, что затрудняет их систематизацию. Существует два основных вида прогнозирования состояния объектов диагностики. Первый по тренду, построенному в результате аппроксимаций ретроспективных данных с дальнейшей экстраполяцией аппроксимирующей функции. В этом случае прогнозирование требует знания предельного значения диагностического симптома и фактической кривой тренда, который совсем не обязательно бывает линейным и может характеризоваться большим разбросом точек (рис 6.2.). Остаточный ресурс при условии монотонности тренда может быть оценен как интервал времени с момента последнего измерения до времени, соответствующего точке пересечения линии тренда и некого предельного уровня диагностического параметра (симптома). Второй тип прогнозирования – по заранее известному тренду, построенному с момента начала работы однотипных машин до полного их выхода из строя, т.е. по всему их жизненному циклу.(Рис.6.3.). Остаточный ресурс здесь это разность времени t пр соответствующего предельному значению диагностического симптома и времени t изм соответствующего значению диагностического симптома ∆ изм на момент его измерения. Рис. 6.2.. Прогнозирование остаточного ресурса по ретроспективным данным Рис. 6.3.. Прогнозирование по заранее известному тренду. Рис. 6.4.. Тренд - зависимость диагностического симптома от времени с момента развития первого дефекта до полного выхода машины из строя Во многих практических случаях тренды могут быть немонотонными. Так, на рис. 6.4. представлен тренд, участок I которого характеризует развитие одного дефекта, на участке II наблюдается стабилизация уровня вибрации и на участке III производная изменения уровня вибрации увеличивается в результате появления еще одного дефекта. В этом случае достоверный прогноз состояния объекта и оценка остаточного ресурса возможны только на последнем участке развития цепочки дефектов. Модели процессов износа и старения можно представить как процесс вытекания вязкой жидкости (рис. 6.5.). Аналоги физических параметров, определяющих процесс износа или старения: Рис. 6.5.. Аналог математической модели износа и старения: НТ – нерегулируемый трубопровод; РТ – регулируемый трубопровод; Н – насос; ОТ – обратный трубопровод. — время вытекания жидкости, измеряемое уровнем h жидкости в резервуаре, соответствует времени t — вязкость жидкости µ 0, зависящая от ее температуры, плотность жидкости ρ 0 И статическое давление p 0 действующее на жидкость, соответствуют параметрам окружающей среды при работе ОД; — длина и площадь сечения трубопровода, по которому вытекает жидкость из резервуара, соответствуют параметрам нагружения сопряженных элементов ОД. Дифференциальное уравнение вязкого течения жидкости из резервуара имеет вид: где h — уровень жидкости; vp T, vH T, v0 т — скорости вытекания жидкости из регулируемого, нерегулируемого и обратного трубопроводов. Поскольку скорости истечения пропорциональны кинематической вязкости и являются функциями времени, уравнение примет вид По аналогии уравнение для диагностического параметра, определяющего износ и старение ОД, запишется где X — обобщенный диагностический признак (например, вибропараметр) ; к — коэффициент пропорциональности, зависящий от скорости протекания процесса износа или старения; f(X) — функция, определяемая принятой гипотезой о характере процессов износа или старения рассматриваемого ОД. Для анализа процессов износа или старения принимают пять видов гипотезы (табл. 6.1.). Таблица 6.1. Для решения задачи прогнозирования весь период использования технического объекта разделяется на два интервала: Т1 — интервал наблюдения за состоянием объекта; Т2 — интервал, в котором осуществляется прогнозирование. Естественно, что чем больше Т1, тем достовернее прогноз, поскольку с увеличением Т1 возрастает объем информации о прогнозируемом процессе. Однако увеличение интервала наблюдения приводит к дополнительным затратам, связанным с выполнением длительного эксперимента или дополнительной обработкой данных, характеризующих состояние объекта. В связи с этим на практике при прогнозировании состояния ОД стараются по возможности сократить величину Т1. Задача прогнозирования изменения состояния объекта может быть решена методами экстраполяции или классификации. При экстраполяции реализуется принцип переноса на будущее тенденций прошлого. Процедура прогнозирования включает анализ результатов наблюдения, построение аналитического выражения, связывающего результаты наблюдения (интерполяцию) и, соответственно, экстраполяцию с помощью полученного выражения. При классификации необходимо обнаружить общие черты в различных объектах, их систематизировать и отнести к классу известных. В зависимости от используемого математического аппарата различают три вида прогнозирования: 1) аналитическое, основанное на степенных рядах и уравнениях регрессии; 2) вероятностное, основанное на теории вероятности; 3) статистическая классификация, основанная на теории распознавания образов. Решение задачи прогнозирования для конкретного ОД позволяет: — выявить узлы (блоки) объекта, работоспособность которых существенно изменится в ближайшее время; — обосновать количество запасных блоков или узлов перед очередным использованием и объем запасных частей на весь период эксплуатации объекта; — определить сроки проведения профилактических работ, направленных на обеспечение работоспособности объекта. Аналитическое прогнозирование Методы экстраполяции, используемые для определения значения прогнозируемой переменной, называются аналитическими, или методами аналитического прогнозирования. При выборе математического аппарата для решения задачи аналитического прогнозирования необходимо предварительно определить диагностические параметры. Оценить параметры каждого элемента, входящего в объект, технически сложно из-за их большого количества, поэтому стараются выбрать минимум (в пределе — один) диагностических параметров, обеспечивающий требуемую достоверность прогнозирования изменения состояния объекта. Выбранные параметры должны быть чувствительными к изменениям, происходящим в элементах, входящих в объект диагностирования, т. е. любая наметившаяся тенденция изменения состояния составляющих элементов должна отражаться на поведении выбранного диагностического параметра. Рассмотрим постановку задачи прогнозирования. Для простоты будем считать, что работоспособность объекта определяется одним параметром £. В этом случае прогнозирование работоспособности ОД рассматривается как прогнозирование изменения функции £ (t), значения которой изменяются дискретно или непрерывно в интервале времени Т1 = [ t0 , tn ]. В результате имеются значения этой функции £0 , £t ,...,£,-,..., £n на интервале Т1 (рис. 6.6.). Рис. 6.6. Изменение диагностического параметра Необходимо по известным значениям £i определить значения функции в будущие моменты времени tn+1, ..., tn +j, ... , tn+m ∈ Т2 или узнать, через какое время tn + j∈ Т2 значение £n +j достигнет допустимого уровня £доп. Задача может быть решена методом экстраполяционных полиномов и регрессионного анализа. Метод экстраполяционных полиномов. Идеальным случаем решения задачи является адекватное описание изменения функции £ (t) каким-либо аналитическим выражением. Ввиду сложности нахождения таких выражений по дискретным точкам целесообразно определить наилучшую структуру аналитического выражения, а при прогнозировании конкретной функции £ (t) изменять базовые элементы, входящие в это выражение. В интервале Т1 по известным значениям £;- необходимо найти такую функцию F(t), которая с заданной точностью описывала бы процесс изменения состояния ОД, т. е. выполнить интерполяцию. В общем случае можно использовать многочлен вида где аl — неизвестные коэффициенты; ϕl (t) — известные функции простейшего вида. Получить многочлен F (t) значит определить коэффициенты а Целесообразно использовать в качестве функций ϕ (t) функции, имеющие наиболее простую структуру, например: Тогда будем иметь базовый полином в виде К этому виду могут быть сведены многие степенные выражения, которые различаются способом вычисления а Отношение (£j - £0) / ( t1 - t0 ) = £ назовем средней скоростью изменения параметра в интервале [ t0 , t1 ]. Описать характер изменения параметра в этом интервале времени можно с помощью выражения Если предполагать, что скорость изменения параметра сохраняется, можно прогнозировать значение параметра через время т; На практике для малых интервалов т такой прогноз вполне допустим. Если известно допустимое значение £доп диагностического параметра, то с помощью этой формулы можно определить время, в течение которого оборудование сможет проработать до отказа, т. е. время безотказной работы t б . р. Для выполнения точного прогнозирования следует воспользоваться более сложной экстраполяционной формулой и использовать результаты не двух, а более измерений. При прогнозировании изменения состояния по одному обобщенному параметру могут быть использованы экстраполяционные полиномы Лагранжа и Ньютона. Ввиду того, что коэффициенты экстраполяционных полиномов не зависят от значения прогнозируемого параметра, они могут быть заранее рассчитаны и сведены в специальные таблицы, что упрощает процесс прогнозирования, так как сокращается объем вычислительных работ и облегчается автоматизация прогнозирования. На практике обычно ограничиваются полиномами 1-й и 2-й степеней, поскольку скорость изменения состояния не превышает скорость реагирования полиномов. Точность прогноза можно повышать, если прогнозировать только на один шаг с последующим включением полученного значения в область известных значений Т1. При этом каждое прогнозирование (на один шаг) начинается из новой точки А1, получаемой смещением процесса на один шаг ( tQ , tl ) . Количество измерений и время прогнозирования влияет на точность прогноза: чем больше п, тем точнее прогноз, так как удается более точно описать (интерполировать) процесс изменения параметра в области Т1. Чем больше время, на которое осуществляется прогнозирование Тпр, тем меньше точность, так как в области Т2 могут быть учтены не все факторы. Минимальное количество требуемых измерений связано со степенью г полинома следующим образом: п = r+ 1. На практике для приемлемой точности прогноза п увеличивается в 3...5 раз. Таким образом, использование экстраполяционных полиномов для аналитического прогнозирования предполагает: 1) выбор оптимального выражения F (t) с учетом тенденции изменения параметра в области T1; 2) определение коэффициентов al для получения точного прогноза; 3) экстраполяцию F (t) на область Т2 и определение значения параметра в требуемый (прогнозируемый) момент времени; оценивание точности прогноза. Кроме полиномов вида используются следующие известные функции: - степенная y ( x) = a ⋅ x b ; -экспоненциальная y ( x) = a ⋅ e b⋅ x ; -логарифмическая y ( x) = a ⋅ ln x + b Метод регрессионного анализа. Он основывается на использовании уравнения регрессии вида где у — величина, характер изменения которой необходимо определить; β 0 — постоянная величина; β i ; — коэффициенты; xi — параметры, влияющие на прогнозируемую величину; ε — случайная погрешность. Это линейная зависимость у от х. Модель изменения диагностического параметра ξ во времени на основе регрессионного уравнения имеет вид где £0 — начальное значение параметра; σ — коэффициент регрессии, определяющий наклон прямой. Очевидно, что время работы ОД до отказа tQTK будет определяться допустимым значением диагностического параметра Метод предполагает: 1) выбор однотипных ОД, эксплуатирующихся в одинаковых условиях; 2) измерение значений диагностических параметров ξ ij - для всей совокупности ОД через определенные интервалы времени t j ; 3) вычисление средних значений ξ 0 по всем ОД для фиксированного момента времени t j , 4) нахождение коэффициента регрессии σ по значениям параметров в моменты времени t j ; 5) определение среднего времени отказа М (tотк); 6) вычисление допустимого значения ξ Доп ; 7) нахождение прогнозируемого времени безотказной работы. Если имеется статистика по наблюдениям, прогнозирование можно осуществить следующим образом. По результатам измерений устанавливают аппроксимирующий полином - тренд. Линейная форма тренда имеет вид: ξi = ξ + a1 (ti − t ) где ξ i , ti — текущие значения диагностического параметра и времени; ξ , t — средние значения диагностического параметра и времени; a1 — аппроксимирующий коэффициент. Параметры тренда по данным N наблюдений определяют из следующих соотношений: Время безотказной работы tб . р. = t y − t H , где t y — продолжительность достижения предельного состояния при гамма-процентном ресурсе элементов, tH — продолжительность работы элемента к началу прогнозирования. Доверительные границы прогноза значения диагностического параметра ξ = ξ ± t ( p)σ ξ где t(p) — коэффициент Стьюдента для N—2 степеней свободы; σ ξ — среднеквадратичное отклонение диагностического параметра: N где σ = ∑ δ i2 /( N − 2) — среднеквадратичное отклонение результатов от тренда; δ i i =1 — отклонение фактического значения от вычисленного по уравнению регрессии. 7. 1. Общая характеристика методов диагностирования Оценить состояние объекта можно, подавая на объект рабочие (рабочее диагностирование) или тестовые воздействия (тестовое диагностирование) различными методами. На практике используют три группы методов диагностирования машин и механизмов: по параметрам рабочих процессов, непосредственно характеризующих состояние оборудования; по параметрам сопутствующих процессов {тепловое поле, шумы, виброакустические процессы и т.п.), косвенно характеризующих состояние оборудования; по структурным параметрам (зазоры в сопряжениях, значение регулировочных параметров), непосредственно характеризующих состояние узлов и агрегатов оборудования. Первые две группы методов можно отнести к динамическим, если иметь в виду, что они применимы к функционирующему оборудованию, а третью группу — к статическим методам, распространяемым на неработающее во время диагностирования оборудование. В настоящее время методы диагностирования горных машин и механизмов развиваются в трех основных направлениях; диагностирование методами неразрушающего контроля, по виброакустическим сигналам, исходя из концентрации продуктов изнашивания в масле. 7.2. Методы неразрушающего контроля (общая характеристика) Этими методами пользуются для оценивания состояния узлов и деталей, являющихся составными частями машин и механизмов, а также трубопроводов и конструкций. При этом решаются две задачи диагностирования: контроль работоспособности и поиск дефектов. Согласно ГОСТ 18353, в основу классификации методов НК положен физический процесс с момента взаимодействия физического поля или вещества с контролируемым объектом до получения первичной информации. Неразрушающий контроль подразделяется на радиационный, акустический, магнитный, электрический, вихретоковый, радиоволновой, тепловой, оптический, проникающими веществами, течеисканием, визуально-измерительный (ВИК). Последний является важнейшим методом при первичной оценке технического состояния объекта повышенной опасности. На основе результатов ВИК назначаются объемы и методы контроля. Ни один из методов НК не универсален, поэтому при техническом диагностировании очень важен не только правильный выбор метода контроля, но и комбинирование ряда методов, сочетание неразрушающих и разрушающих испытаний, а также проведение микроскопического исследования и т.д. Важнейшие характеристики неразрушающих методов контроля — их чувствительность и разрешающая способность, простота и доступность технологического процесса контроля, надежность аппаратуры. Чувствительность метода определяется наименьшими размерами выявляемых дефектов, она зависит от физических особенностей метода НК, технических характеристик применяемой аппаратуры, чистоты обработки поверхности, условий контроля и многих других факторов. Разрешающая способность метода определяется наименьшим расстоянием между двумя соседними минимальными выявляемыми дефектами, для которых возможна их раздельная регистрация. Чувствительность к обнаружению дефектов для каждого метода определяют поразному, она колеблется в широком диапазоне. Общая характеристика чувствительности некоторых методов приведена в табл.7.1. Характеристика методов НК, их достоинства и недостатки приведены в таблице 7.2. Таблица 7.1. Таблица 7.2. Характеристика методов диагностирования узлов и деталей Разновидность Дефекты Характеристика метода Магнитопорошковый метод С применением Поверхностные и неглубоко Достоинства: высокая магнитной залегающие неоднородности чувствительность и точность, простота суспензии С (на глубине 0,1. -.0,3 мм) технологии, малые затраты времени. использованием Поверхностные Недостатки: необходимость удаления воздушной микротрещины шириной лакокрасочных покрытий толщиной взвеси раскрытия 0,001. ..0,003 мм, более 0,03 мм, возможность попадания ферромагнитно- глубиной 0,01. .-0,05 мм порошка в подшипники и сочленения, го порошка Непровары, поры, шлаковые сложность размагничивания некоторых включения площадью 2...3 мм узлов на глубине 1...3 мм Продолжение таблицы 7.2. Капиллярный метод Цветной, Свободные полости, люминесцентны выходящие на поверхность й, люмиТрещины, глубина которых несцентнозначительно превышает цветной ширину раскрытия: ширина раскрытия более 0,001 мм, глубина свыше 0,01 мм, протяженность более 0,1 мм Электромагнитный метод Вихретоковый Неоднородность импульсный поверхностного слоя глубиной до 1 мм Трещины глубиной 0,15 ...0,2 мм и с шириной раскрытия у поверхности 0,5 мкм Акустический метод Ультразвуковой Неоднородности на большой импульсный глубине с площадью отражения 1...4.5 мм2 Трещины с минимальной глубиной 0,1 мм Импедансный Отслоения Непроклей Достоинства: высокие чувствительность и разрешающая способность, простота технологии, наглядность диагноза. Недостатки: необходимость удаления защитных покрытий, большие затраты времени (1...3 ч), высокая трудоемкость Достоинство — возможность диагностирования деталей с защитным покрытием. Недостатки: отсутствие наглядности, большая трудоемкость, сложность определения размеров дефекта, требование однородности свойств материала Достоинство — большая глубина обнаружения дефектов. Недостатки: необходимость технического и методического обеспечения применительно к каждому типу детали и узла; отсутствие возможности точно оценить размеры и характер дефекта; трудность расшифровки результатов при диагностировании сложных деталей, имеющих конструктивные отражатели (отверстия, проточки, валики и др.) Достоинство — обнаружение дефектов в многослойных конструкциях. Недостаток — обнаружение дефекта только со стороны установки преобразователя Продолжение таблицы 7.2. Радиационный метод Рентгенографич Протяженность трещины еский 1...2% толщины просвечиваемой конструкции Гаммаграфическ Протяженность трещины 2. ий ..4% толщины просвечиваемой конструкции. Наименьшая ширина раскрытия трещин в конструкциях толщиной до 40 мм не превышает 0,1 мм, при толщине более 40 мм составляет 2,5% просвечиваемой толщины при совпадении направления просвечивания с плоскостью трещины Оптический метод Большие трещины с шириной раскрытия 0,1. ..0,001 мм. Механическое изнашивание. Поверхностная коррозия. Пробоины. Обрывы. Достоинства: возможность определения взаимного положения внутренних деталей в агрегатах и узлах, наличие документа в виде рентгено- и гамма-снимков. Недостатки: громоздкость и сложность аппаратуры, высокая стоимость, неудобства с обработкой пленки, необходимость защиты от вредного воздействия на организм человека Достоинство — простота. Недостаток — низкая чувствительность 8.1. Магнитные методы контроля Ими контролируют детали из ферромагнитных материалов. При этом выявляются поверхностные и подповерхностные дефекты типа трещин с раскрытием более 1 мкм, подрезы, непровары в сварных соединениях и металлургические дефекты типа волосовин и др. Магнитные методы дефектоскопии основаны на следующем принципе: магнитный поток, проходя по металлу детали, без резких неоднородностей ее сечения, не изменяется на границе перехода деталь — воздух (рис. 8.1., а). Рис. 8.1. Распределение магнитного потока В по сечению качественного (а) и дефектного (б) сварных швов. При наличии в контролируемом изделии несплошности в зоне дефекта образуется участок с резкоменяющейся магнитной проницаемостью, вследствие чего происходит перераспределение магнитного потока. Часть потока при этом выходит на поверхность, образуя поле рассеяния и создавая в месте дефекта на поверхности детали нормальную составляющую магнитного поля. При нарушении сплошности в районе дефектного участка часть магнитного потока перераспределяется, а в бездефектной зоне первоначальный магнитный поток остается неизменным, к нему добавляется часть перераспределенного потока, который направляется по трем путям: через воздушные пути над дефектом, непосредственно через дефект и по металлу под дефектом (см. рис. 8.1., б). Магнитопорошковым методом определяют состояние большинства стальных деталей, снятых или не снятых с машин и механизмов, к которым имеется доступ для намагничивания, нанесения суспензии и осмотра. На поверхность детали наносят ферромагнитные частицы (тонкий порошок), которые находятся во взвешенном состоянии в жидкости (минеральном масле, керосине, воде и т.п.) или в воздухе. Деталь помещается в магнитное поле или пропускается ток по кабелю, проходящему через отверстие в детали. Вследствие взаимодействия образуется магнитный поток, неоднородный при наличии дефекта. В результате возникает сила, стремящаяся затянуть ферромагнитные частицы в место наибольшей плотности магнитных силовых линий, т.е. к месту дефекта. Информативным параметром в этом случае является индикаторный рисунок в виде полосок или валиков осевшего на поверхности детали порошка. Размер и характер дефекта можно оценить по интенсивности оседания порошка и форме рисунка. Детали обычно намагничивают с помощью специальных приборов-дефектоскопов. Дефектоскопы, применяемые при МПД, согласно ГОСТ 21105 делят на универсальные и специализированные. И те и другие могут быть стационарными, передвижными или переносными. В соответствии с ГОСТ 21105 в зависимости от магнитных свойств материалов, размеров и формы контролируемого изделия, а также оборудования, используемого для намагничивания, применяют способы контроля приложенного магнитного поля СПП и остаточной намагниченности СОН. При способе приложенного магнитного поля намагничивание начинается раньше или одновременно с моментом нанесения порошка или магнитной суспензии. Контроль способом остаточной намагниченности заключается в предварительном намагничивании изделия и последующем нанесении на него порошка либо суспензии. Оседание порошка происходит в зоне дефекта при отсутствии внешнего намагничивающего поля. Кроме того, существуют три способа намагничивания: продольный, циркуляционный и комбинированный. На чувствительность контроля и, следовательно, выявляемость дефектов значительно влияют вышеуказанные способы намагничивания. Род тока намагничивания и способ нанесения порошка также влияют на обнаружение подповерхностных дефектов. На результат МПД в значительной мере влияет состояние контролируемой поверхности. Чем грубее поверхность, тем хуже чувствительность. В зависимости от вида контролируемого изделия условный уровень чувствительности подразделяют на группы А, Б, В, соответственно ширина выявляемого дефекта составляет до 2,5; от 2,5 до 10 мкм и 10-25 мкм 8.2. Электромагнитный (вихретоковый) метод основан на возбуждении в материале вихревых токов и оценивании их влияния на магнитный поток, создаваемый катушкой индуктивности преобразователя. Рис 8.2. Иллюстация сущности вихретокового метода Под действием тока в катушке индуктивности образуется переменный магнитный поток Ф0, проникающий в металл. При этом в металле возникают вихревые токи, создающие свой магнитный поток Фв, направленный навстречу возбуждающему потоку. Поле вихревых токов взаимодействует с полем возбуждающей катушки, образуя результирующее поле, несущее в себе информацию об электромагнитных характеристиках, расстоянии до поверхности, о нарушении однородности, изменении формы и размеров контролируемого изделия. За счет протекания вихревых токов происходит превращение электрической энергии в тепловую, что эквивалентно изменению индуктивности и активного сопротивления преобразователя. Трещина на поверхности (рис.5.7) приводит к перераспределению вихревых токов, уменьшению их плотности, вследствие чего уменьшаются вносимые индуктивность и сопротивление, что может быть зарегистрировано ТСД. Вихревые токи в металле распространяются в поверхностных слоях в направлении. Из-за экранирующего действия вихревых токов и потерь на тепло электромагнитное поле в металле быстро затухает. Глубина проникновения поля зависит от частоты электромагнитных колебаний, электропроводности, магнитной проницаемости, коэрцитивной силы, формы поля, создаваемого источником, и размеров контролируемого объекта. Низкочастотные электромагнитные поля проникают в металл глубже, нежели высокочастотные. Импульсный метод возбуждения вихревых токов в материале проверяемых деталей позволяет выявлять дефекты на большой глубине. На величину вихревых токов значительно влияют геометрические параметры объекта: форма, размеры, взаимное расположение измерительного вихретокового преобразователя (ВТП) и изделия, толщина детали, покрытия, слоя после химикотермической обработки (ХТО) и другие факторы. Об изменениях величины вихревых токов и, следовательно, о наличии дефектов судят по изменению тока в возбуждающей катушке, изменению составляющих комплексного сопротивления этой катушки или ЭДС преобразователя. В качестве ВТП используют обычно индуктивные катушки, одну или несколько. В катушках ВТП создается электромагнитное поле, возбуждающее вихревые токи в объекте, и далее, регистрируя напряжение на зажимах катушки или их сопротивление, получают информацию о свойствах объекта. Эта информация — многопараметровая, что и определяет как преимущество, так и недостатки при реализации вихретокового метода (ВТМ). Часто при контроле одного из параметров влияние остальных на сигнал преобразователя становится мешающим. Большим преимуществом ВТМ, особенно при проведении технического диагностирования объектов повышенной опасности, является то, что контроль можно проводить без контакта преобразователя и объекта. Их взаимодействие происходит обычно на расстоянии, достаточном для свободного движения преобразователя относительно объекта, от долей до нескольких миллиметров. ВТМ можно применять без зачистки поверхностного слоя, что очень важно при работе в полевых условиях. Одной из особенностей ВТМ является то, что на сигналы преобразователя практически не влияют влажность, давление и загрязненность среды, радиоактивное излучение, наличие на поверхности объекта контроля непроводящих веществ. Простота конструкции преобразователя и хорошая защита позволяют применять ВТМ при контроле металла как в агрессивных средах, так и в широком интервале температур и давлений, преобразователи устойчивы против механических воздействий. В дефектоскопии ВТМ выявляют дефекты типа несплошностей, выходящих на поверхность или залегающих на небольшой глубине, а также трещины, расслоения, закаты, крупные неметаллические включения и т.д. При оптимальных условиях контроля можно выявить дефекты глубиной 0,1-0,2 мм, протяженностью 1-2 мм. С помощью ВТМ решаются задачи контроля размеров деталей. Ими измеряют диаметры труб, проволоки, прутков, толщину металлических листов и стенок труб, толщину покрытий на электропроводящих основах, глубину зоны ХТО. Измеряемые величины могут изменяться в пределах от микрометров до десятков миллиметров. Характер микроструктуры металлов и сплавов в значительной степени влияет на их электромагнитные характеристики. Именно эта зависимость позволяет контролировать не только однородность химического состава, но и структуру металлов и сплавов, а также определять механические напряжения. Кроме того, с помощью вихревых токов проводят контроль качества термической и ХТО обработки, состояние поверхности деталей после механической обработки, наличие остаточных напряжений, различных фаз и т.д. 8.3. Капиллярная дефектоскопия Одним из наиболее распространенных методов контроля качества металла и сварных соединений является капиллярная дефектоскопия (КД). Капиллярный метод основан на использовании свойства смазывающих жидкостей, нанесенных на очищенную поверхность детали, заполнять узкие полости. Он предназначен для определения мест расположения поверхностных дефектов с открытой полостью, их направления, протяженности, характера развития. На очищенную поверхность наносится пенетрант – специальное цветоконтрастное вещество (жидкость). Лишнюю жидкость с поверхности удаляют. На поверхность наносят проявитель в виде специальной белой краски или порошка, под действием которого выступающая из полостей жидкость окрашивает проявитель и образует хорошо видимый на белом фоне индикаторный рисунок, являющийся информативным параметром о месте расположения, форме и протяженности дефекта. При цветном методе используют жидкость, окрашенную в красный цвет и образующую рисунок, видимый при дневном свете, а при люминесцентном методе — жидкость, дающую рисунок, ярко светящийся в ультрафиолетовых лучах. При люминесцентно-цветном методе рисунок виден как при дневном свете, так и в ультрафиолетовых лучах. Методы КД подразделяют на: — яркостный (ахроматический) проникающих растворов, применяются керосин, проявитель, мел; — цветной (хроматический) проникающих растворов, используется пенетрант, образующий после проявления красный след; — люминесцентный, для выявления дефектов применяют специальные ультрафиолетовые установки и лампы; — люминесцентно-цветной, приборы и материалы — совместное применение материалов и оборудования для цветной и люминисцентной дефектоскопии; — капиллярно-электростатический, используется электростатическая установка и пенетрант (ионогенная жидкость); — капиллярно-электроиндукционный, применяются электроиндукционная установка и электропроводящая жидкость или органические растворители; — капиллярно-магнитопорошковый, используются прибор МПД и пенетрант (ферромагнитный порошок); — капиллярно-радиационный метод поглощения, применяются источник радиационного излучения и пенетрант (оптически плотные жидкости); — капиллярно-радиационный метод контроля, используются источник радиационного излучения и радиоактивный пенетрант. Размеры дефектов, выявляемые методами КД, так малы, что обнаружение их невооруженным взглядом практически невозможно. Дефект заметен только при наличии контраста между дефектом и фоном. Поэтому для обнаружения дефектов следует искусственно повысить контрастность дефектного и неповрежденного участков контролируемой поверхности. Явления, обусловленные втягиванием смачивающихся жидкостей в капилляры или выталкиванием несмачивающихся жидкостей из капилляров, называются капиллярными. На границе соприкосновения твердых тел с жидкостью наблюдаются явления смачивания, проявляющиеся в искривлении свободной поверхности жидкости около стенки дефекта (сосуда). При дефектоскопии лучшее смачивание обеспечивают жидкости с малым поверхностным натяжением, что и учитывается при выборе жидкостей для КД. На смачивание существенно влияет шероховатость контролируемой поверхности: чем выше шероховатость, тем лучше смачиваемость. У стенок дефектов шероховатость выше, чем на бездефектной поверхности изделия. Следовательно, при КД в чистых полостях дефектов у жидкости будет более высокая смачиваемость по отношению к изделию. Под действием поверхностного натяжения поверхность жидкости сокращается. Сорбционные явления. Для отыскания дефекта необходимо возможно большее количество индикаторного пенетранта, находящегося в его микрополостях, извлечь на поверхность, подвергаемую контролю. Извлечение и локализация пенетранта достигаются вследствие сорбционных свойств проявителей пенетранта. При использовании в качестве проявителя сухих порошков или суспензий на поверхности каждой частицы проявителя адсорбируются молекулы индикаторного пенетранта. При физической адсорбции молекулы индикаторного пенетранта сохраняют свое первоначальное строение, а при химической они образуют на поверхности частиц химическое соединение с веществом проявителя пенетранта. Схематическое изображение процесса КД представлено на рис. 8.3. Чувствительность методов КД. Условно определяется наименьшими значениями ширины раскрытия, глубины, длины надежно выявляемого дефекта по его индикаторному следу и зависит от свойств применяемых дефектоскопических материалов, качества и состояния поверхности. Согласно ГОСТ 18442, в зависимости от минимальных размеров выявляемых дефектов, метода контроля, используемых дефектоскопических материалов и технологии контроля, устанавливаются следующие условные классы чувствительности: I—IV и технологический. Для каждого класса чувствительности установлены минимальные размеры дефектов (мкм): I — менее 1; II - от 1 до 10; III - от 10 до 100; IV -от 100 до 500; технологический не нормируется. Определяющим параметром при выборе класса чувствительности метода является ширина раскрытия дефекта. Глубина зародышевых трещин деформационного происхождения обычно оценивается в 10~3 мм. Рис. 8.3. Схематическое изображение процесса капиллярной дефектоскопии. а — нанесение и проникновение пенетранта в несплошности; б — удаление излишков пенетранта; в — нанесение проявляющей жидкости и проявление несплошностей при цветной дефектоскопии; г — проявление несплошностей ультрафиолетовым облучением (УФО) при люминисцентной дефектоскопии. Размер пор диффузионного происхождения такого же порядка. При слиянии микродефектов формируется макродефект, который и выявляется методом КД. Приведенные выше минимальные размеры дефектов определяют границу необходимой чувствительности методов КД. 8.4. Акустические методы В каком бы состоянии материальная среда не находилась, она благодаря взаимодействию между частицами обладает упругими свойствами. От внешнего воздействия колебания одной частицы будут передаваться другим, т.е. в среде будет распространяться волновое движение, называемое акустическими колебаниями. Частицы среды совершают колебания около точки равновесия, а волна распространяется с некоторой постоянной скоростью. Упругие колебания и акустические волны, особенно ультразвукового диапазона, широко применяются в технике. Мощные ультразвуковые колебания используют для сварки, для локального разрушения хрупких материалов и др. Другая область применения акустических колебаний и волн — контроль и измерения. Сюда относят локацию, медицинскую диагностику, контроль уровня жидкости, скорости потока и т.д., а также использование акустических колебаний и волн для неразрушающего контроля. Для контроля применяют колебания частотой от 50 Гц до 50 МГц. В зависимости от упругих свойств среды в ней могут возникать упругие волны различных видов, отличающиеся скоростью распространения, направлением колебания частиц и другими признаками. Различают продольные волны (расширения-сжатия), сдвиговые, поверхностные, нормальные и др. В жидкостях и газах существует только один тип волн — волны расширения-сжатия. В твердых телах, кроме продольных волн, существуют поперечные (сдвига), так как твердое тело обладает упругостью не только объема, но и формы. Скорость продольной волны примерно в 2 раза больше скорости поперечной. Комбинации этих волн создают другие типы волн. На свободной поверхности твердого тела могут распространяться поверхностные волны, или волны Рэлея. По характеру траекторий частиц поверхностная волна как бы состоит из колебаний продольных и сдвиговых волн. Амплитуда колебаний частиц по мере удаления от свободной поверхности убывает по экспоненте, поэтому волна локализована в тонком поверхностном слое толщиной в одну-полторы длины волны. В тонких плоских телах (листах, пластинах, проволоке) возбуждаются нормальные волны, или волны Лэмба. В металлах возбуждаются все типы волн. Для ультразвуковых колебаний характерны те же явления преломления, отражения, дифракции, интерференции, реверберации, что и для любых волновых явлений. Для ультразвуковой дефектоскопии большое значение имеет волновой импеданс — удельное акустическое сопротивление среды, которое выражается произведением плотности среды на скорость распространения в ней упругих волн данного типа. Ультразвуковой контроль (УЗК) основан на свойстве УЗ волн распространяться в однородном плоском теле и на его плоских или криволинейных поверхностях в виде лучей и отражаться от границ тела или нарушений сплошности, обладающих другими акустическими свойствами. При неразрушающем контроле акустические волны возбуждают и принимают путем преобразования электрических колебаний в упругие и наоборот. Для этой цели используют специальные устройства — электроакустические преобразователи (ЭАП) или просто преобразователи. Если преобразователь используют для излучения волн, то его называют излучателем, если для приема — то приемником. Если один и тот же преобразователь выполняет обе функции, то его называют совмещенным. Если излучатель и приемник разделены, то схему контроля называют раздельной. Если раздельные излучатель и приемник объединены в один блок, то преобразователь называют раздельносовмещенным. Ультразвуковые колебания получают за счет пьезоэффекта, который был открыт братьями Кюри в 1880 г. Он заключается в следующем: при сжатии или растяжении специальной пластинки на ее гранях появляется электрический заряд. Пьезоэффект обратим, так как под влиянием электрического поля пластинки деформируются. Пьезопластины обычно изготавливают из монокристалла кварца или из кристаллических соединений класса сегнетоэлектриков, таких как титанат бария, цирконат титаната свинца и др. (ГОСТ 13927). Амплитуда колебаний пластины зависит от напряжения на электродах и соотношения частоты переменного напряжения и собственной частоты колебаний пластины. Максимальная амплитуда колебаний пьезоэлемента наблюдается при резонансе, когда собственная частота колебаний пластины совпадает с частотой вынужденных колебаний от приложенного внешнего напряжения. Собственная частота пластины зависит от ее толщины и скорости упругих волн: f = c/2b где f — собственная частота пластины; с — скорость упругих волн; b — толщина пластины. При приложении пьезопластины к поверхности контролируемой детали в материале ее возбуждаются упругие волны. Если подавать на пьезоэлемент переменное напряжение с частотой, отличной от собственной, то можно получить вынужденные колебания пьезоэлемента с любой частотой. Однако излучаемая энергия будет меньше, чем на резонансной частоте. Распространение ультразвуковых колебаний происходит по законам геометрической оптики и основывается на представлении об ультразвуке как о совокупности ультразвуковых лучей — линий, вдоль которых распространяется звуковая энергия. Если материал однороден и изотропен, то пьезоэлемент создает волновое поле, которое вблизи имеет цилиндрическую форму (зона дифракции Френеля), а на некотором расстоянии — форму усеченного конуса (дальняя зона, или зона дифракции Фраунгофера). При распространении ультразвуковых волн в упругой среде возможна реверберация — постепенное затухание колебаний вследствие повторных многократных отражений. Реверберация бывает объемной (из-за отражений колебаний от граней контролируемого объекта) и структурной (из-за многократных отражений границами зерен). При распространении упругих волн в твердом теле наблюдаются процессы дифракции и интерференции. Дифракция — явление огибания волнами малых препятствий, размеры которых соизмеримы с длиной звуковой волны или меньше ее. Отражение волны происходит в том случае, если размеры препятствий больше длины волны. По характеру отражения ультразвуковых волн от несплошностей судят о размере и расположении дефектов. Интерференция — результат сложения двух или нескольких когерентных колебаний, воздействующих на одну и ту же точку среды. Она может привести к образованию стоячих волн, характеризующихся тем, что вдоль оси поля чередуются неподвижные точки и точки, колеблющиеся с максимальной амплитудой. Интерференция и дифракция взаимно связаны и существуют одновременно, что усложняет измерения в режиме непрерывного излучения. Поэтому более предпочтителен импульсный метод, при котором короткие импульсы следуют друг за другом через промежутки времени, достаточные для того, чтобы падающая и отраженная волна не встретились. Законы отражения и преломления УЗ волн аналогичны законам геометрической оптики. Встречая на своем пути среду с другими акустическими свойствами, часть ультразвуковых волн отражается, а оставшаяся часть входит в новую среду. При этом проходящая и отраженная волны будут того же вида, что и падающая. При перпендикулярном падении УЗ луча на границу раздела отраженный луч будет перпендикулярен этой границе (рис. 8.4 а). При неровной поверхности раздела с выступами и впадинами более 0,1 мм наблюдается диффузное отражение (см. рис. 8.4 в). При падении ультразвукового луча на границу раздела сред под углом, отличным от прямого, наряду с отражением наблюдается преломление. абв Рис. 8.4. Отражение ультразвуковых волн на плоской границе двух сред при перпендикулярном (а) и наклонном (б, в) падении луча (б — зеркальное, в — диффузное отражение). Отношение синусов углов падения, отражения и преломления равно отношению скоростей распространения колебаний соответствующего вида в первой (I) и второй (II) средах (см. рис. 8.4 б). Если ρ1C1 < ρ 2C2 ,то при переходе продольных упругих волн из одной твердой среды в другую кроме двух отраженных лучей (см. рис. 8.4, б) будут наблюдаться и два преломленных (рис. 8.5). Углы падения, отражения и преломления связаны следующим соотношением или sin α sin β sin γ законом Снеллиуса: = = C L1 CL 2 CS 2 где СLi, CL2,CS2 — скорости распространения продольных и сдвиговых волн в первой и второй средах соответственно. При увеличении угла падения α продольной волны L углы β и γ также увеличиваются, и при некотором значении α = α кр1 продольные волны будут распространяться по поверхности, не проникая в глубь второй среды, и возникнет подповерхностная волна (первый критический угол). При дальнейшем увеличении угла падения до значения α кр2 (второй критический угол) по поверхности будут распространяться преломленные сдвиговые волны (рис. 8.6). Рис. 8.5. Преломление ультразвуковых волн на плоской границе двух твердых сред. Рис. 8.6. Распространение продольной (а) и сдвиговой (б) преломленных волн на границе раздела сред при критических углах. Для упругих волн справедлив закон обратимости. Если луч от первой среды во вторую падает под углом а, то луч, падающий из второй среды на границу с первой под углом В, войдет в первую среду под углом а. Все эти свойства ультразвуковых волн широко используются при разработке и внедрении акустических методов контроля, приборов, при конструировании призматических преобразователей. Акустические методы неразрушающего контроля основаны на анализе параметров упругих колебаний, возбуждаемых в контролируемом объекте (ГОСТ 23829). Методы акустического контроля подразделяют на две большие группы: активные, использующие излучение и прием акустических волн и колебаний, и пассивные, основанные только на приеме акустических волн.