Разработка технических средств и методики контроля кольцевых швов малогабаритных емкостей

При контроле сварных соединений, если намагничивание объекта контроля производят в поперечном направлении, описанные выше операции нужно выполнять, когда лента  уложена на поверхность бездефектного  контрольного образца с зачищенными  неровностями валика шва [54].

В [55] для повышения достоверности контроля за счет определения его раскрытия изделие намагничивают дважды, регистрируя поле дефекта при различных значениях напряженности поля. Раскрытие дефекта определяют по относительному изменению поля дефекта и градуировочной зависимости. Для повышения удобства, производительности и мобильности магнитографического контроля ферромагнитных объектов на наличие поверхностных дефектов, снижения потребления электроэнергии, расширения области применения метода за счет возможности контроля труднодоступных мест, небольших деталей, а так же объектов, находящихся во взрывоопасных помещениях, шахтах, под водой и т. д. [56]. Осуществлять намагничивание контролируемого изделия вместе с плотно прижатой к его поверхности магнитной лентой постоянным магнитом, путем перемещения его полюса непосредственно поп поверхности ленты.  Высокая чувствительность метода при малой массе магнита (40¸50 г) достигается за счет значительного увеличения напряженности магнитного поля, действующего дефект, вблизи полюса магнита при контроле способом приложенного поля, а также небольшого фона помех, т. к. перемещаемый по поверхности ленты магнит равномерно намагничивает ее по всей площади.

В [57] намагничивание осуществляют через уложенную на магнитную ленту немагнитную прокладку или воздушный зазор, толщину которых подбирают экспериментально до проведения намагничивания при выполнении условия обеспечения наибольшего отношения амплитуд сигнал/шум для дефекта минимального браковочного уровня в соответствии с предварительно построенной зависимостью, перемещение магнита над поверхностью магнитной ленты осуществляют в произвольном направлении, а считывание записи с магнитной ленты производят под углом от -20° до + 20° к нормали к предполагаемому направлению распространения магнитного отпечатка на ленте при обнаружении протяженного дефекта или в произвольном направлении при обнаружении локального дефекта.

В [58], в отличие от [57] ленту укладывают вдоль предполагаемого направления распространения дефектов в изделии, при намагничивании магнит обращают к изделию гранью с двумя полюсами и перемещают вдоль предполагаемого направления распространения дефектов так, чтобы плоскость, разделяющая полюсы магнита, образовывала угол от -45° до +45° с направлением перемещения, при воспроизведении записи с магнитной ленты дифференциальной магнитной головкой отдельно рассматривают сигналы от дефектов, имеющие вид однополярного или двуполярного электрического импульса, а дефект считают недопустимым, если сигнал о его наличии имеет вид двуполярного импульса или амплитуда однополярного импульса превышает браковочный уровень.

Три последних  способа магнитографического контроля позволяют обнаруживать несплошности в ферромагнитных объектах, находящиеся  на глубине до 3 мм. Поэтому они не могут быть использованы для контроля нашего объекта.

В данном изделии, контролируемом в дипломном проекте, возможно появление дефектов, ориентированных вдоль шва и локальных (компактных) дефектов, для их выявления контроль необходимо проводить при поперечном и при продольном намагничивании.

 

Выводы

 

Подавляющее большинство дефектов несплошности кольцевых сварных швов емкостей (несплавления, цепочки пор, подрезы) ориентированы вдоль продольной оси шва.

Наиболее приемлемым для обнаружения  характерных дефектов кольцевых сварных швовах малогабаритных емкостей является магнитографический метод.

При магнитографическом методе целесообразно  производить раздельный контроль сварных  соединений на наличие протяженных  и локальных дефектов: в первом случае сварной шов следует намагничивать  в поперечном направлении, используя  при неблагоприятных размерах выпуклости шва концентраторы магнитной  индукции, во втором - в продольном направлении, считывая запись с ленты вдоль  направления ее остаточной намагниченности.

 

Постановка задачи проектирования

 

Целью настоящей работы является разработка технических средств и методики контроля кольцевых швов малогабаритной емкости, обеспечивающих обнаружение протяженных дефектов больших 10% и локальных – более 20% от толщины.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи.

1. Разработать намагничивающее  устройства для магнитографического  контроля.

2. Разработать устройство для  поперечного намагничивания объекта  контроля.

3. Разработать устройство для  продольного намагничивания объекта  контроля.

4. Разработать устройство для  подсчета и индикации дефектов.

5. Разработать методику контроля.

6. Разработать метрологическое  обеспечение средств неразрушающего  контроля.

 

2 Разработка намагничивающих  устройств для магнитографического  контроля объекта

 

Поперечное намагничивание может производиться двумя способами: последовательно отдельными участками, расположенными по длине шва, или  одновременно по всей длине сварного соединения.

В обоих случаях намагничивающие  устройства должны удовлетворять следующим требованиям.

Напряжённость приложенного поля должна намагничивать контролируемую зону до состояния насыщения. При  этом уровень намагниченности контролируемого  изделия должен находиться на верхнем  пологом участке кривой намагничивания, соответствующем режиму насыщения.

Ширина намагничиваемой  зоны должна быть выбрана таким образом, чтобы полюсы устройства не касались краёв магнитной ленты, уложенной  на поверхность контролируемого  шва.

Для удобства в эксплуатации намагничивающее устройство должно иметь как можно меньший вес  и потреблять минимальную мощность.

 

2.1 Анализ литературных  источников с целью разработки оборудования для контроля

 

Получили широкое распространение дисковые магниты, используемые для контроля листовых конструкций и труб с толщиной стенки до 6 мм. Дисковый электромагнит состоит из двух дисков и соединяющего их стержня, на котором размещена обмотка. Дисковые магниты дают значительное «растекание» потока магнитной индукции, что существенно ухудшает условия образования и выявления полей дефектов при магнитографическом контроле. С уменьшением сечения полюсов и увеличением расстояния между полюсами «растекание» потока несколько увеличивается [1].

В подвижных намагничивающих устройствах применён принцип одновременного создания однородного магнитного потока на участке значительной протяжённости. Устройство состоит из двух стальных полюсов, скреплённых стальными сердечниками, на которых размещаются одна или две катушки. Стальной каркас опирается на четыре колеса из немагнитного материала. Благодаря значительной длине магнитопровода устройство обеспечивает одновременное намагничивание участка шва с минимальным «растеканием» магнитного потока [2].

Неподвижное устройство типа намагничивающие клещи предназначено для труб небольших диаметров и представляет шарнирно раскрывающийся электромагнит, позволяющий одновременно намагничивать контролируемый стык по всему периметру. Намагничивающие клещи состоят из двух стальных каркасов-полуколец, соединённых между собой шарниром. На каркасах размещены обмотки электромагнита, соединённые последовательно. Устройства типа клещей рассчитывают аналогично передвижным намагничивающим устройствам по законам магнитной цепи.

Намагничивающие вилки предназначены для контроля стыков труб небольших диаметров и состоит из стального каркаса и рукоятки. Полюса вилки охватывают контролируемый стык на половину длины его окружности [8].

 

2.2 Расчет электромагнита  намагничивающего устройства

 

В данном дипломном проекте необходимо определить параметры электромагнита намагничивающего устройства для магнитографического  контроля ферромагнитных изделий.

Исходными данными к дипломному проекту являются:

– толщина стенки контролируемого  объекта – 4 мм;

– материал объекта контроля –  сталь Ст3;

Для расчета электромагнита намагничивающего устройства, необходимо знать оптимальное  значение индукции в контролируемых сечениях объекта контроля.

2.2.1 Расчет оптимальной индукции  в контролируемых сечениях объекта  контроля. По данным таблицы Г.1 из Приложения Г методических указаний к курсовой работе [9] строится кривая намагничивания материала контролируемого изделия (рисунок 2.1).

 

 

Рисунок 2.1 – Кривая намагничивания материала изделия (сталь Ст3)

 

Используя данные этой кривой по формуле 

 

,

 

где m₀ – магнитная постоянная, m₀=4p×10^-7Гн/м.

Строим кривую m_r=f(В) (рисунок 2.2).

Расчёт оптимального режима сводится к отысканию максимального  приращения производной на падающей ветви данной кривой. Максимальное приращение производной dm/dB находится в месте перегиба кривой функции m_r(B) на её ниспадающей ветви (в этой точке d²m/dB²=0). Простейший способ найти d²m/dB² – заменить табличные значения функции m_r=f(B) соответствующим интерполяционным многочленом

 

,

 

где a, b, c, d – неизвестные коэффициенты.

 

 

Рисунок 2.2 – График зависимости m_r(В)

 

Величина  оптимальной  магнитной индукции в изделии  определяется по формуле

 

,

где a_ср, b_ср – усреднённые коэффициенты уравнения.

Чтобы определить значения a_ср и b_ср, можно решить три системы уравнений, подставляя значения m_r и В с ниспадающей ветви графика m_r(В).

 

 

Решение трёх систем уравнений, представлено в приложении А.

По формуле В_опт=1,375 Тл. Расчётное значение В_опт ниже значения, полученного экспериментально на 10 – 20%, поэтому

 

.

 

Примем В_опт=1,7 Тл.

2.2.2 Расчет электромагнита  намагничивающего устройства. С учетом требований технического, технологического и экономического плана для магнитных приспособлений могут быть рекомендованы стали Ст3, 10, 20 и сталь Армко [1].

Схема электромагнита намагничивающего устройства представлена ниже

 

Рисунок 2.3 – Расчетная схема  электромагнита намагничивающего устройства

 

Целью расчета является определение  намагничивающей силы (IW) устройства для создания в изделии необходимой индукции.

Ниже представлена эквивалентная  электрическая схема электромагнита.

Из рекомендаций [1], толщина d полюсов намагничивающего устройства должна быть в 2-3 раза больше толщины стенки намагничиваемого изделия. Если же толщина изделия 1…2 мм, то толщина полюсов – 10…20 мм. Остальные размеры намагничивающего устройства выбирают конструктивно, исходя из существующих разработок. Например, расстояние L между полюсами электромагнита – не менее 70 мм, высота h – не менее 100 мм.

 

 

Рисунок 2.4 - Эквивалентная электрическая  схема электромагнита

 

Для расчета устройства выберем  следующие данные:

 с=230 мм; d=12 мм; h=120 мм; L=90 мм; =1 мм.

Из закона Кирхгофа следует

 

                                                 ,                                                  (1)

 

где: - падение магнитного напряжения на участке магнитной цепи  .

Рассматриваем сумму падений магнитных  напряжений в изделии  в зазорах , в магнитопроводе

 

                                                                       (2)

 

С помощью выражения (2) и значений и , взятых с кривой намагничивания, строим зависимость , а затем зависимость в той же системе координат.

 

                                         ,                                                (3)

 

  где  - напряженность поля в зазоре;

        - толщина суммарного зазора.

 

                                               _,                                                            (4)

 

С учётом выбранных параметров и  выражений (3), (4) получаем           зависимость 

 

                                                          

 

Рисунок 2.5 – Зависимость магнитных  напряжений в зазоре и в изделии  от магнитного потока в изделии 

                                     

Затем на отдельном графике строится кривая падения магнитного напряжения в магнитопроводе в зависимости  от протекающего в нем потока . После рассматривается сумма магнитных напряжений в магнитопроводе  U_п

 

                                                                            (5)

 

Значения В_п и Н_п определяют по кривой намагничивания материала магнитопровода.

В качестве материала магнитопровода выберем сталь Ст3. Все расчеты  по определению параметров электромагнита приведены в приложении.

Чтобы пересчитать  в зависимости от , запишем уравнение Кирхгофа для точки М эквивалентной электрической схемы

 

                                         ,                                                        (6)