RU2204827C1

RU2204827C1 - Procedure evaluating residual life of articles from ferromagnetic steels and gear for its implementation

Info

Publication number: RU2204827C1
Application number: RU2001135441/28A
Authority: RU
Inventors: А.О. Федотов; Е.А. Гринь; Т.А. Швецова
Original assignee: Акционерное общество открытого типа Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2003-05-20

Abstract

FIELD: nondestructive testing, specifically, evaluation of residual life of members and units of power engineering equipment. SUBSTANCE: according to invention magnetic permeability is found at various values of frequency of electric current exciting magnetic field in tested article. Decision on residual life of article is made by position of curve in graph of dependence of magnetic permeability on frequency. Gear for implementation of procedure has scanner coming in the form of ferrite U- or E-shaped core with primary and secondary windings. Primary winding is connected through load resistor, power amplifier and buffer amplifier to line input of sound map of computer. Secondary winding is connected to one channel of stereo input of above-mentioned map and mentioned load resistor is connected to another channel. EFFECT: increased accuracy in evaluation of residual life of articles made of ferromagnetic steels. 3 cl, 2 dwg

Description

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. The invention relates to the field of non-destructive testing and can be used to assess the residual resource of products from ferromagnetic steels, in particular the residual resource of elements and components of power equipment of power plants.

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. A known method for assessing the condition of products from ferromagnetic steels, in particular steel boiler pipes, in magnitude, correlating with the resistance of the pipe material to magnetization, for example, by coercive force [1]. This method does not have sufficient accuracy and energy-intensive, since to remove the hysteresis curve it requires complete magnetization reversal of the product.

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. Known accepted as a prototype of the proposed method, a method for assessing the residual resource of products from ferromagnetic steels by the magnitude of their magnetic permeability [2]. This method does not require magnetization reversal of the product, but with respect to boiler pipes it is also associated with large measurement errors due to the presence of scale and deposits, as well as uneven magnetization of the pipes.

Достигаемым результатом способа и устройства согласно изобретению является повышение точности оценки остаточного ресурса изделий из ферромагнитных сталей. The achieved result of the method and device according to the invention is to increase the accuracy of estimating the residual life of products from ferromagnetic steels.

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. With regard to the method, this result is ensured by the fact that in the method for estimating the residual life of products from ferromagnetic steels by the magnitude of their magnetic permeability according to the invention, the magnetic permeability is determined at different values of the frequency of the electric current exciting the magnetic field in the controlled product, and the residual resource of the product is judged by the location the corresponding curve on the graph of the magnetic permeability versus frequency, given that the lower the curve is, the less The resource has an item.

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. A device for determining the magnetic permeability of products made of ferromagnetic steels, made in the form of a digital flux-gate magnetometer [3], designed to implement the method of the prototype [2]. The disadvantages of the known device are associated with the disadvantages of this prototype and are listed above.

Прототипа устройства согласно изобретению для определения зависимости магнитной проницаемости изделия из ферромагнитной стали от частоты выявлено не было. A prototype device according to the invention for determining the dependence of the magnetic permeability of a ferro-steel product on frequency was not detected.

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. In terms of the device, the above-achieved result of the invention is ensured by the fact that the device for determining the frequency dependence of the magnetic permeability of a ferro-steel product according to the invention comprises a scanner made in the form of a ferrite U- or U-shaped core with primary and secondary windings, of which primary winding through a load resistor, power amplifier and buffer amplifier is connected to the line output of the computer’s sound card, and to the stereo input of the specified card to one of the channels the secondary winding is connected, to the other - the indicated load resistor.

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. In FIG. 1 is a schematic diagram of a device according to the invention; figure 2 is a graph of the relationship of the amplitude of the output signals from the frequency of the magnetic field exciting the electric current for a sample of steel 12X1MF at various degrees of damage.

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 L₂, 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).The device according to the invention (figure 1) contains a scanner made in the form of a ferrite (in the drawing of a U-shaped) core 1 with primary and secondary windings, respectively, L ₁ and L ₂ . The primary winding L ₁ through a load resistor R _n , a power amplifier 2 and a buffer amplifier 3 is connected to the line output LO (Line Out) of the computer sound card (not shown in the drawings), and to the stereo input of the specified card to one of the channels R (Right) the secondary winding L _{2 is} connected, to the other L (Left) - load resistor R _n . The free ends of the core 1 are installed on the surface of the investigated product, for example, a steel pipe 4, through which the lines of the excited magnetic flux are closed (not shown in the drawings).

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_эф•i)/∂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_c•μ_c, L_и~S_и•μ_и, а μ_c>>μ_и и S_c>>S_и, то μ_и•L_эф≅L_и~μ_и и U₂~μ_и•F•I, 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 μ_и, анализируется отношение сигналов U₂/U_оп.The method according to the invention using the device (figure 1) is as follows. The processes of input and output of an audio signal from the sound card of a personal computer operating in Full Duplex mode occur simultaneously. In fact, the sound card works with the computer as a test signal generator and as a measuring device. The voltage U ₁ from the line output LO of the sound card through the buffer amplifier 3 is supplied to the primary winding (field winding) L _{1 of the} scanner. The signal with voltage U ₂ on the secondary (receiving) winding L _{2 of the} scanner is proportional to ∂ (L _eff • i) / ∂t, where L _eff and i, respectively, are the effective inductance and current, t is time. Since 1 / L _eff = 1 / L _c + 1 / L _and , where L _c and L _and are the inductances of core 1 and test article 4, respectively, and since L _c ~ S _c • μ _c , L _and ~ S _and • μ _and , and μ _c >> μ _and and S _c >> S _and , then μ _and • L _eff ≅ L _and ~ μ _and and U ₂ ~ μ _and • F • I, where F is the frequency, I is the amplitude value of the current in the field winding L ₁ . The voltage U ₂ from the secondary winding L _{2 of the} scanner is supplied to the right channel R of the stereo input of the sound card, the reference voltage U _op , taken from the load resistor R _n (proportional to the current I), to the left channel of the stereo input. To obtain a signal proportional to the magnetic permeability μ _and , the signal ratio U ₂ / U _{op is} analyzed.

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. The parameters of the input and output signals are configured programmatically. Signals are digitized at a frequency of 44.1 kHz with a resolution of 16 bits. The output signal is a constant amplitude sine wave, sweepable at a frequency of 0.01 Hz in the range of 20-2000 Hz. The measuring section within the specified range can be arbitrarily selected. In this case, it is only important that for the two compared measurements, the corresponding curves, with the minimum difference in the degree of damage of the compared samples, should be as far as possible (different) separated from each other. In addition, with an increase in the measuring section of the range, especially towards lower frequencies, the duration of the measurements increases significantly.

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 μ_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.The input signal is processed using the Fast Fourier Transform (FFT) method. In this case, the processing result represents the frequency dependence of the logarithm of the ratio of signals along the right and left channels of the stereo input of the sound card, that is, the frequency dependence of the magnetic permeability μ _and the frequency F on a semi-logarithmic scale. This dependence is displayed on a computer monitor in real time. Since, as a result, the ratio of signals along the input channels is analyzed, the frequency-temperature dependence of the amplifier stages of the circuit is automatically corrected. With a moderate slope of the curve, it is possible to issue an analyzed signal ratio in normal (non-logarithmic) coordinates. The frequency dependence of the ratio of these signals in the example of figure 2 relates to samples of steel 12X1MF, representing samples from steam pipelines of thermal power plants. The graphs show that in the frequency range 100-1000 Hz with increasing damage to steel, its magnetic permeability decreases. The upper curve characterizes the sample, evaluated by the third metallographic analysis, and the lower curve - the fifth point on the microdamage scale (OST 34-70-600-96), which corresponds to the share of the residual life of the product, respectively, 40 and 20%. At a frequency of 900 Hz, the ordinate of 1 dB corresponds to these residual life values for the upper curve and 0 dB for the lower curve.

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. The objectivity and high accuracy of the method for estimating the residual life of products from ferromagnetic steels according to the invention is determined by the possibility of processing the signal spectrum in different frequency intervals depending on the composition of the metal of the studied product, the ability to analyze several parameters of the frequency dependence curve, and the ability to probe the product along the metal depth.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 571658, 2 G 01 N 17/00, 1976.Sources of information
1. USSR author's certificate 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. 2. The magnetic method for determining superheated pipes of steel 20 and 12X1MF heating surfaces of steam boilers. - Bogachev V.A. et al. - Power plants. 1995, 3, p. 13.

3. Применение магнитного метода контроля металла поверхностей нагрева паровых котлов. - Богачев В.А., Злепко В.Ф. - Теплоэнергетика. 1995, 4, с. 21, рис.7. 3. The use of the magnetic method of metal control of heating surfaces of steam boilers. - Bogachev V.A., Zlepko V.F. - Heat power engineering. 1995, 4, p. 21, fig. 7.

Claims

1. A method for assessing the residual life of products made of ferromagnetic steels by the magnitude of their magnetic permeability, characterized in that the magnetic permeability is determined at different values of the frequency of the electric current exciting the magnetic field in the controlled product, and the residual resource of the product is judged by the location of the corresponding curve in the dependence graph magnetic permeability of the frequency, given that the lower the curve is located, the less residual life the product has.

2. The method according to p. 1, characterized in that the frequency of the electric current is changed in the range of 20-2000 Hz.

3. A device for determining the dependence of the magnetic permeability of a ferromagnetic product on frequency, characterized in that it contains a scanner made in the form of a ferrite U- or U-shaped core with primary and secondary windings, of which the primary winding is through a load resistor, power amplifier and buffer the amplifier is connected to the linear output of the computer’s sound card, and a secondary winding is connected to one of the channels on the stereo input of the specified card, and the indicated load resistor is connected to the other.