Вихретоковый контроль – электромагнитный метод дефектоскопии чёрных, цветных металлов и не только​

Вихретоковый контроль (ВК) - один из видов неразрушающего контроля (НК), предназначенный для выявления поверхностных и подповерхностных несплошностей в изделиях из чёрных и цветных металлов (стали, титана, алюминия), а также из углепластиков и композиционных материалов. В том числе - для выявления трещин, пор, волосовин, шлаковых и иных неметаллических включений в основном металле, а также в клепаных, болтовых и сварных соединениях со снятым усилением и шероховатостью поверхность не более Ra 2,5 мкм. Вихретоковый метод дефектоскопии заключается в том, чтобы при помощи вихретокового дефектоскопа и преобразователя (ВТП) наводить в объекте контроля (ОК) индукционные (вихревые) токи, электромагнитное поле которых рассеивается на участках с дефектами. Электродвижущая сила (ЭДС) этого поля воздействует на катушку (у резонансных, или однокатушечных ВТП) или катушки (у многообмоточных ВТП) вихретокового преобразователя. Дефектоскоп фиксирует напряжение этого поля (сопротивление на катушках) и отображает результаты в виде временной развёртки (графиков) либо комплексной плоскости с применением секторных и/или круговых масок для более наглядной визуализации сигналов. Вихревые токи являются замкнутыми электрическими токами в проводнике (ОК), возникающими при изменении магнитного потока, который его пронизывает. Помимо дефектоскопии, вихретоковый метод НК позволяет решать и другие задачи - например, по измерению толщины немагнитных покрытий, определению электропроводимости чёрных и цветных металлов, сортировке металлопроката и пр. Вихретоковый контроль активно применяется в нефтехимической, газовой, авиастроительной и авиаремонтной отрасли, судостроении, теплоэнергетике, металлургии, автомобилестроении, энергомашиностроении, в железнодорожном хозяйстве, на производствах ёмкостного оборудования, строительных металлоконструкций, мостовых сооружений и пр. Вихретоковый контроль практикуют на опасных производственных объектах (ОПО), подведомственных Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзору), а также на объектах Федерального агентства воздушного транспорта (Росавиации), "РЖД", Российского речного регистра, Российского морского регистра и т.д. Проведением вихретокового контроля занимаются дефектоскописты и специалисты НК, аттестованные, например, по правилам СДАНК-02-2020 (в Единой системе оценки соответствия) или СНК ОПО РОНКТД-02-2021 (в Системе НК на ОПО Российского общества по неразрушающему контролю и технической диагностике) либо прошедшие сертификацию в СДС НК, зарубежным ISO 9712:2021, EN 4179 или другим стандартам. Вихретоковый контроль также может входить в область аттестации лабораторий неразрушающего контроля (ЛНК), подтверждающих свою компетентность, например, по правилам СДАНК-01-2020 (в ЕС ОС) или СНК ОПО РОНКТД-03-2021 (в Системе НК на ОПО РОНКТД).

Содержание:​

Что собой представляет вихретоковый контроль
Режимы и способы проведения ВК
Возможности вихретоковой дефектоскопии
Преимущества и ограничения метода
Технология проведения контроля
Аппаратура
Требования к специалистам ВК

Вихретоковая дефектоскопия выполняется в соответствии с руководящими нормативными техническими документами (НТД) и операционной технологической картой (НТД). Выявленные несплошности оценивают по содержащимся в них нормам отбраковки с выдачей заключения о годности/негодности ОК.

Физические основы вихретокового метода неразрушающего контроля​

Для лучше понимания физики процесса представим вихретоковый контроль в виде такой последовательности:
1) при помощи вихретокового преобразователя, внутри которого одна или несколько катушек, на объект подаётся импульсный либо синусоидальный ток;
2) вследствие этого создаётся электромагнитное поле;
3) под действием этого происходит возбуждение вихревых токов;
4) их собственное электромагнитное поле воздействует на катушки, изменяя их сопротивление, либо наводит на них электродвижущую силу (общепринятое сокращение – ЭДС);
5) дефектоскоп (или иной прибор) регистрирует сопротивление и напряжение на катушках;
6) на основании корреляционной связи между изменениями этих величин и исследуемыми параметрами оператор получает необходимую информацию об объекте.

Область применения вихретокового метода контроля – ферромагнитные и неферромагнитные стали, графиты, а также цветные сплавы, чья удельная электрическая проводимость составляет не менее 0,5–60 МСм/м. При этом – для достижения большей достоверности результатов – материалы должны обладать однородными магнитными свойствами. На чувствительность также влияет проводимость материала ОК, его размеры, геометрия, взаимное расположение ВТП и контролируемой поверхности, её шероховатость, наличие и состояние покрытия, наличии коррозии (поражённые ею участки нужно зачищать до неповреждённого металла). Считается, что ручной ВК способен выявлять выходящие на поверхность трещины с шириной раскрытия не менее 0,01 мм, глубиной не менее 0,1 мм и длиной более 2,0 мм. При этом плоскость раскрытия несплошностей должна быть параллельна контролируемой поверхности и либо составлять с ней угол менее 10 градусов.

Данный вид НК широко используется для контроля труб, галтелей, балок, лопастей турбин и винтов, прутков, поковок, литья, подшипников, корпусов атомных установок, деталей подвижного состава и пр. В авиационной отрасли технологию успешно применяют для диагностики многослойных композиционных материалов.

Основные понятия в области ВК описаны в ГОСТ Р 55611-2013. Примеры руководящих документов – РД 13-03-2006, ГОСТ Р ИСО 15549-2009, РД 32.150-2000 и др.

Разновидности и методы вихретокового контроля​

В зависимости от подвижности/неподвижности объекта предусмотрены динамический и статический режимы. Контроль также бывает ручной (с портативным дефектоскопом или структуроскопом) и механизированным (выполняется стационарными автоматизированными установками).

Методов ВК довольно много, но наибольшее распространение получили:

• амплитудный (измеряется амплитуда сигнала ВТП);
• фазовый (измеряется фаза сигнала);
• амплитудно-фазовый (измеряется проекция вектора напряжения ВТП на направлении отстройки, то есть подавления мешающего фактора).

Существуют ещё частотный, многочастотный, импульсный, переменно-частотный, модуляционный методы и пр. Но это – тема для отдельного текста.

Для чего проводят вихретоковый контроль​

Он позволяет решать широкий спектр задач, связанных с техническим диагностированием, а именно:

• обнаруживать поверхностные и подповехностные неслошности. ВК эффективен для поиска усталостных, ковочных, шлифовочных, штамповочных трещин, надрывов, волосовин, пор, посторонних включений;
• измерять толщину покрытий, а также толщину отдельных слоёв многосоставных материалов;
• измерять электропроводимость и/или проницаемость изделий;
• производить сортировку материалов по тем или иным магнитным свойствам;
• выявлять остаточные напряжения;
• оценивать качество химической, термической, механической обработки и пр.

Вихретоковый метод контроля применяется как в ручном режиме, с применением классических датчиков, так и в автоматическом режиме - с использованием специальных сканирующих устройств. ВК проводят на производствах, в цеховых, а также в полевых условиях.

Сильные и слабые стороны вихретокового метода контроля​

ВК как одно из направлений дефектоскопии привлекателен тем, что:

• не предполагает контакта с поверхностью. Не остаётся никаких следов. Преобразователи с корундовыми наконечниками изнашиваются очень медленно;
• не нуждается в подводе и удалении контактной жидкости;
• эффективно выявлять выходящие на поверхности трещины глубиной от 0,1 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 ЛКМ. 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. В последнем случае, правда, нужно предварительно снять валик усиления;
• не нуждается в расходных дефектоскопических материалах;
• безвреден для здоровья оператора;
• может применяться для подвижных объектов. ВК активно используется в условиях поточного трубопрокатного и литейного производства, для проверки цилиндрических поверхностей по мере формирования отверстий и т.д.

Разумеется, вихретоковый метод контроля не безупречен, поскольку:

• 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. То же самое касается изделий, поражённых коррозией. ВК хорошо распознаёт дефекты, выходящие на поверхность. Если этого не наблюдается, то технология оказывается бессильна;
• обладает сравнительно малой глубиной исследуемой зоны, обычно до 2 мм. Это, конечно, не рентген и не УЗК.

Порядок выполнения вихретокового контроля сварных соединений​

В общем виде последовательность работ выглядит так.

1. Изучение руководящей документации, технологической карты (методики, инструкции). Определение площади и направления сканирования, чувствительности ВК, охвата, допустимой степени деформации поверхности, критериев приёмки, скорости перемещения датчика и пр.
2. Проверка технических средств. Осмотр ВТП при помощи лупы (с увеличением от 2 до 6 крат) на предмет механических повреждений. Проверка чувствительности дефектоскопа и фактического напряжения питания (оно должно соответствовать значению, указанному в руководстве по эксплуатации прибора). Освещённость контролируемой поверхности в зависимости от НТД и ОТК должна составлять от 500 до 1000 лк, поэтому для вихретоковой дефектоскопии часто используются переносные светильники и налобные фонарики.
3. Очистка поверхности. Металл зачищают от коррозии и протирают ветошью, слегка смоченной в растворителе, ацетоне или бензине. На поверхности не должно быть жирных, масляных пятен, пыли, стружки и прочих частиц. Важно: вихретоковый метод контроля демонстрирует наибольшую чувствительность на шлифованных поверхностях. Поэтому при необходимости перед его проведением шероховатость доводят до Ra 2,5 мкм. Задиры, трещины и иные механические повреждения также недопустимы.
4. Разметка. Зону контроля «разбивают» на отдельные участки. Для удобства площадь каждой из них не превышает 1–2 кв. дм.
5. Настройка на контрольном образце либо на бездефектном участке самого ОК – для компенсации шумов и обеспечения точности результатов.
6. Сканирование ОК. Оно должно выполняться в направлении, перпендикулярном предполагаемой ориентации дефектов либо – если она неизвестна – в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Шаг сканирования подбирается с учётом требуемой чувствительности вихретокового контроля. В зависимости от модификации дефектоскопа скорость перемещения может достигать 10–20 мм/с. Не менее важно следить за соблюдением рекомендованного зазора между датчиком и поверхностью. Для накладных преобразователей, например, он составляет от 0,3 до 0,7 мм.
7. Идентификация и регистрация дефектов. На их наличие указывают скачкообразные движения стрелочного индикатора (у старых приборов), появление характерного импульса на развёртке, срабатывание светового или звукового индикатора. По продолжительности и интенсивности сигнализации можно сделать предположение о направлении раскрытия трещины, её протяжённости, глубине. Для этого рекомендуется попробовать разные траектории движения ВТП. Что примечательно: об имеющихся дефектах свидетельствует именно резкая, скачкообразная сигнализация. Плавные изменения указывают, скорее, на магнитную или электрическую неоднородность. Это так называемые мнимые дефекты.
8. Измерение длины трещин. Оценка по двухбалльной системе (если ориентироваться на РД 13-03-2006).
9. Оформление протокола контроля по заранее согласованной с заказчиком форме. Указываются дата и место проведения ВК, идентификационные данные предприятия-изготовителя объекта, эталонных образцов, дефектоскопистов, используемой аппаратуры, датчиков и пр. Описываются настройки приборов. Записываются выявленные дефекты, их длина. При наличии – делается отметка об отклонении от заданной процедуры контроля.

Оборудование для вихретокового контроля​

Начнём, пожалуй, с преобразователей. Требования к ним регламентированы ГОСТ 23048-83, одно из ключевых – высокое соотношение сигнал/шум. ВТП подразделяются на несколько типов:

• по способу получения информации – абсолютные и дифференциальные. В первом случае выходные значения сигналов считываются напрямую с измерительной катушки. Дифференциальные датчики состоят из двух катушек: одна – в зоне контроля, другая – на бездефектном участке. В процессе измерений учитывается разница между их показаниями. Благодаря этому увеличивается чувствительность и помехоустойчивость контроля;
• по характеру взаимодействия с объектом – накладные, проходные и комбинированные. Накладные датчики располагаются на нём и используются при одностороннем доступе. Проходные – помещаются внутрь (для полых изделий – труб, сосудов, кожухов, колец) и пр.). Либо – наоборот, обхватывают объект (это так называемые наружные проходные). Комбинированные могут работать в разных пространственных положениях. Бывают ещё роторные, карандашные и многие другие;
• по способ преобразования параметров – трансформаторные и параметрические. Последние проще и дешевле, но в большей степени зависимы от температурных условий.

Если радиус кривизны объекта меньше 5 мм, то для работы с преобразователями дополнительно используются позиционирующие насадки.

Информацию, полученную при помощи ВТП, нужно фиксировать и обрабатывать. Для этого и нужны дефектоскопы. Они могут предназначаться для ручного и/или автоматизированного вихретокового контроля. Примеры из первой категории – ВД-10А, «ЗОНД ВД-96», ВД-70, ВД-100, NORTEC 600, OmniScan MX ECA/ECT, Eddyfi Reddy, ВД-12НФП, ВД-20НФ, ВД-41П, ВД-90НП и др. Некоторые приборы для ручного ВК совмещают в себе реализацию и других методов – чаще всего импедансного (акустического). К таким комбинированным дефектоскопам относятся «Вектор-50», УД3-307ВД, «ВЕКТОР-СКАН», «Томографик» УД4-ТМ, ДАМИ-С09, УД2-102ВД и пр.

При выборе конкретного прибора нужно учитывать порог чувствительности, доступные методы (амплитудный, фазовый и другие, о которых говорилось выше), конфигурацию объекта и пр.

Ещё одна категория оборудования для вихретокового контроля – это толщиномеры и толщиномеры покрытий. Примеры – МВП-2М, Sedge-42, "Константа К5". При рассмотрении той или иной модели исходить нужно из ключевых характеристик – диапазона измерений и погрешности показаний.

Наконец, нельзя не сказать пару слов и о вихретоковых структуроскопах. Примеры – «ВИХРЬ 2К», ВЭ-26НП. Приборы этого типа позволяют оценивать физико-механические качества материалов – предел прочности, твёрдости, проницаемость, глубину закалки и т.д. На основании эмпирической корреляционной зависимости исследуемых параметров с магнитными и электрическими характеристиками можно судить о состоянии материалов, производить отбраковку, сортировку и т.п.

Что ещё требуется для вихретокового контроля? РД 13-03-2006 гласит, что в арсенале лаборатории должны быть следующие технические средства:

• контрольные образцы искусственных дефектов и зазоров (КОИДЗ-ВД). Изготавливаются из тех же материалов, что и объект контроля, в виде плоских либо изогнутых пластин, цилиндров и пр. К образцам обязательно прилагаются паспорта;
• осветительные приборы. Дополнительно к местном освещению (от 500 до 1000 лк) понадобятся переносные светильники с рабочим напряжением 12, 24 или 36В. Такие устройства в обязательном порядке комплектуются крепёжными приспособлениями для фиксации в заданном положении;
• ветошь и другие принадлежности для очистки поверхности;
• заземляющие шины и подводки напряжений 12 и 36В, а также 1-фазной сети переменного тока (220В).

Все средства измерения, которые задействуются для проведения ВК, подлежат регистрации в Госреестре и должны проходить периодическую поверку и калибровку. Лаборатория обязана хранить документацию, подтверждающую факт своевременного метрологического обслуживания.

Требования к персоналу для проведения вихретокового контроля​

Специалисты должны пройти аттестацию на I, II или III квалификационный уровень в соответствии с СДАНК-02-2020 или СНК ОПО РОНКТД-02-2021 (в зависимости от того, в какой Системе НК нужно подтвердить компетенцию, чтобы зайти на объект заказчика). Сотрудникам необходимо иметь на руках квалификационное удостоверение с не истекшим сроком действия.

Руководителем работ по проведению ВК может быть специалист не ниже II уровня. Такое же требование распространяется и на того, кто ставит свою подпись в заключении.

На форуме «Дефектоскопист.ру» представлено большое количество полезной информации и материалов по вихретоковому методу контроля, а именно:

• более 110 тем-обсуждений по практике выполнения ВК;
• собрание нормативно-технической документации по данному методу в разделе НТД.

Чтобы вы хотите в полной мере освоить вихретоковый контроль сварных соединений и ВК в целом, зарегистрируйтесь на «Дефектоскопист.ру» и получите доступ ко всем материалам уже сегодня!

Больше информации по теме:
Что такое вихретоковый дефектоскоп
Характеристики и классификация вихретоковых преобразователей