scholarly journals Θεωρητική και πειραματική μελέτη μη- καταστροφικού ελέγχου σιδηρομαγνητικών υλικών με ηλεκτρομαγνητικές μεθόδους

2021 ◽  
Author(s):  
Αθανάσιος Κυργιαζόγλου

Η παρούσα διατριβή ανήκει στο γενικό επιστημονικό πεδίο των Μη Καταστροφικών Ελέγχων (ΜΚΕ) και συγκεκριμένα χρησιμοποιεί τη μέθοδο των δινορρευμάτων (Eddy Current Testing, ECT).Ως ΜΚΕ ορίζονται όλες εκείνες οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τη διερεύνηση της αρτιότητας μιας κατασκευής χωρίς αυτή να καταστραφεί και να καταστεί μη ικανή για επαναχρησιμοποίηση. Η διαδικασία ελέγχου των υλικών με χρήση ΜΚΕ μεθόδων αποτελεί ένα συνεχώς αυξανόμενο πεδίο στην επιστημονική κοινότητα, λόγω της ικανότητας εξαγωγής αξιόπιστων πληροφοριών σε έγκαιρο χρόνο.Από τις πιο διαδεδομένες μεθόδους ΜΚΕ είναι η ραδιογραφία με ακτίνες – Χ και ακτίνες – γ (Radiographic Testing, RT), η μέθοδος υπερήχων (Ultrasound Testing, UT), η μέθοδος διεισδυτικών υγρών (Liquid Penetrant Testing, LPT), η μέθοδος μαγνητικών σωματιδίων (Magnetic Particle Testing, MT), ο οπτικός έλεγχος (Visual Inspection, VI), η μέθοδος δινορρευμάτων (Eddy Current Testing, ECT) κ.α. Η κάθε μέθοδος εξαρτάται από διαφορετικά φυσικά φαινόμενα και έχει συγκεκριμένο πεδίο εφαρμογής. Όλες αυτές οι μέθοδοι εφαρμόζονται σε πολύ μεγάλο βαθμό στη βιομηχανία, όπως σε εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, σε πλατφόρμες και αγωγούς πετρελαίου και παραγώγων του, σε μεταλλικές κατασκευές και στην αεροναυπηγική. Η μέθοδος των δινορρευμάτων, την οποία πραγματεύεται η παρούσα διατριβή, ενέχει τα φυσικά φαινόμενα του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού. Δηλαδή, έχει πεδίο εφαρμογής σε όλα τα αγώγιμα υλικά τα οποία επηρεάζονται από το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Τέτοιου είδους υλικά απαντώνται σε μεγάλο κομμάτι της βιομηχανίας, από τις πιο απλές κατασκευές (π.χ. σκελετός μηχανής) μέχρι και σε απαιτητικές κατασκευές μεγάλης σημασίας (π.χ. μαχητικό αεροσκάφος τεχνολογίας stealth). Η παρούσα διατριβή καλείται να καλύψει το κενό που υπάρχει στη χρήση της μεθόδου των δινορρευμάτων σε σιδηρομαγνητικά υλικά, καθώς και να εξηγήσει τις δυνατότητες και τις διαφορές σε σχέση με τη διαδεδομένη εφαρμογή της σε μη σιδηρομαγνητικά υλικά. Τόσο με τις πειραματικές μετρήσεις όσο και με τα θεωρητικά αποτελέσματα, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η μέθοδος αποτελεί ένα πραγματικά χρήσιμο εργαλείο στην εύρεση αστοχιών και σφαλμάτων στις μεταλλικές κατασκευές που χρησιμοποιούν κάποιο σιδηρομαγνητικό υλικό. Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας παρατίθενται ορισμένα γενικά στοιχεία της μεθόδου καθώς και πληροφορίες για έννοιες οι οποίες συνδέονται άρρηκτα με τη μέθοδο των δινορρευμάτων. Ιδίως, λόγω της χρήσης σιδηρομαγνητικών υλικών, κρίνεται απαραίτητη η παράθεση ορισμένων γενικών πληροφοριών και θεμελιωδών μεγεθών για αυτή την κατηγορία υλικών. Στο δεύτερο κεφάλαιο της εργασίας γίνεται αναφορά στις ηλεκτρομαγνητικές μεθόδους ΜΚΕ που χρησιμοποιούνται τόσο για τον έλεγχο των μη σιδηρομαγνητικών υλικών όσο και για τον έλεγχο σε σιδηρομαγνητικά υλικά. Σε αυτό το κεφάλαιο γίνεται κατανοητή η δυσκολία της εφαρμογής των δινορρευμάτων σε τέτοιου είδους υλικά, καθώς οι περισσότερες ηλεκτρομαγνητικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τη μελέτη αυτών των υλικών, δεν εμπεριέχουν τη μέθοδο με δινορρεύματα, λόγω των δυσκολιών εφαρμογής της, αλλά επικεντρώνονται σε άλλα φαινόμενα του ηλεκτρομαγνητισμού.Περνώντας στο τρίτο κεφάλαιο, εισάγονται οι μαθηματικές εξισώσεις του υπολογισμού της σύνθετης αντίστασης, που αποτελεί και την κρίσιμη πληροφορία στη μέθοδο των δινορρευμάτων, για τις περιπτώσεις των δοκιμίων πλάκας και αυλού. Επιπλέον, σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζεται μια αναλυτική προσεγγιστική λύση για την εύρεση ασυνέχειας στην επιφάνεια ενός αγώγιμου μέσου.Στο τέταρτο κεφάλαιο, γίνεται αναφορά της πειραματικής πορείας που έλαβε χώρα για την εξαγωγή των αποτελεσμάτων της παρούσας διατριβής. Η πειραματική πορεία αποτελείται από δυο ξεχωριστά πειράματα, επομένως περιγράφονται αναλυτικά τόσο η διάταξη για τη μέτρηση του βρόχου υστέρησης όσο και για την εφαρμογή της μεθόδου των δινορρευμάτων σε σιδηρομαγνητικό αυλό. Σε αυτό το κεφάλαιο περιγράφεται και η κατασκευή όλων των στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν στην πειραματική διαδικασία, από τα δοκίμια του σιδηρομαγνητικού αυλού μέχρι τα πηνία μαγνήτισης και ελέγχου. Γίνεται εκτενής αναφορά στη διαδικασία κατασκευής και πιστοποίησης της αρτιότητάς τους. Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η μελέτη που πραγματοποιήθηκε με λογισμικόπεπερασμένων στοιχείων ώστε να βρεθεί η κατάλληλη οδός τόσο για τη σωστή διεξαγωγή τηςπροσομοίωσης της μεθόδου όσο και για την επιλογή των κατάλληλων παραμέτρων του ελέγχου.Με την επίτευξη της προσομοίωσης του μη γραμμικού προβλήματος της μεθόδου τωνδινορρευμάτων σε σιδηρομαγνητικά υλικά, γίνεται κατανοητή η συμπεριφορά αυτών τωνυλικών στην παρουσία μαγνητικού πεδίου και η επίδραση των φυσικών ιδιοτήτων τους στησύνθετη αντίσταση του πηνίου ελέγχου.Ακολουθεί το έκτο κεφάλαιο στο οποίο παρουσιάζονται αναλυτικά τα αποτελέσματα των πειραματικών μετρήσεων, καθώς και η σύγκριση αυτών με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Εκτός από την απλή τους παρουσίαση, γίνεται μια εκτενής ανάλυση αυτών, όπως και αποσαφήνιση ορισμένων προβληματισμών και ερωτημάτων που δημιουργούνται. Έτσι, παρουσιάζονται οι τεχνικές με τις οποίες μπορεί να γίνει ο χαρακτηρισμός μιας ασυνέχειας και να προσδιοριστεί το βάθος της. Επιπρόσθετα, με τη σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων με αυτά της προσομοίωσης εξάγονται πολύ σημαντικές πληροφορίες για τη συμπεριφορά της μεθόδου στα σιδηρομαγνητικά υλικά, καθώς και η δυνατότητα θεωρητικής μελέτης της μεθόδου με τη χρήση διαφορετικών παραμέτρων. Η δημιουργία ενός υβριδικού κώδικα που συνδυάζει τα αναλυτικά μοντέλα με την προσομοίωση πεπερασμένων στοιχείων, παρουσιάζεται στο έβδομο κεφάλαιο όπου και γίνεται παράθεση της λειτουργικότητας αυτής της υβριδικής λύσης για την εύρεση ασυνεχειών σε αγώγιμο μέσο. Επιπλέον, γίνεται μια σύγκριση των αποτελεσμάτων του υβριδικού κώδικα με τη καθ’ αυτού προσομοίωση με πεπερασμένα στοιχεία ενός προβλήματος αγώγιμης πλάκας και ρωγμής, όπου φαίνεται η χρησιμότητα και η λειτουργικότητα του υβριδικού κώδικα, ειδικά όσον αφορά το χρόνο επίλυσης. Στο όγδοο κεφάλαιο της παρούσας εργασίας, αναγράφονται τα κύρια συμπεράσματα και οι παρατηρήσεις που απορρέουν από αυτή την ερευνητική ενασχόληση, καθώς και οι μελλοντικές βλέψεις και προσδοκίες για την επέκταση της παρούσας έρευνας.Την παράθεση της βιβλιογραφίας ακολουθούν, ένα παράρτημα μέσω της χρήσης του οποίου καθίσταται δυνατή η κατανόηση της διαδικασίας προσομοίωσης με το λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων COMSOL Multiphysics, έτσι ώστε να γίνει εφικτή η χρήση του στην επίλυση των μη γραμμικών ηλεκτρομαγνητικών προβλημάτων.

2020 ◽  
Vol 64 (1-4) ◽  
pp. 47-55
Author(s):  
Takuma Tomizawa ◽  
Haicheng Song ◽  
Noritaka Yusa

This study proposes a probability of detection (POD) model to quantitatively evaluate the capability of eddy current testing to detect flaws on the inner surface of pressure vessels cladded by stainless steel and in the presence of high noise level. Welded plate samples with drill holes were prepared to simulate corrosion that typically appears on the inner surface of large-scale pressure vessels. The signals generated by the drill holes and the noise caused by the weld were examined using eddy current testing. A hit/miss-based POD model with multiple flaw parameters and multiple signal features was proposed to analyze the measured signals. It is shown that the proposed model is able to more reasonably characterize the detectability of eddy current signals compared to conventional models that consider a single signal feature.


Sensors ◽  
2020 ◽  
Vol 20 (19) ◽  
pp. 5515
Author(s):  
Linnan Huang ◽  
Chunhui Liao ◽  
Xiaochun Song ◽  
Tao Chen ◽  
Xu Zhang ◽  
...  

The uneven surface of the weld seam makes eddy current testing more susceptible to the lift-off effect of the probe. Therefore, the defect of carbon steel plate welds has always been a difficult problem in eddy current testing. This study aimed to design a new type of eddy current orthogonal axial probe and establish the finite element simulation model of the probe. The effect of the probe structure, coil turns, and coil size on the detection sensitivity was simulated. Further, a designed orthogonal axial probe was used to conduct a systematic experiment on the weld of carbon steel specimens, and the 0.2 mm width and 1 mm depth of weld defects of carbon steel plates were effectively detected. The experimental results showed that the new orthogonal axial eddy current probe effectively suppressed the unevenness effect of the weld surface on the lift-off effect during the detection process.


Sensors ◽  
2021 ◽  
Vol 21 (2) ◽  
pp. 419
Author(s):  
Xiaobai Meng ◽  
Mingyang Lu ◽  
Wuliang Yin ◽  
Abdeldjalil Bennecer ◽  
Katherine J. Kirk

Defect detection in ferromagnetic substrates is often hampered by nonmagnetic coating thickness variation when using conventional eddy current testing technique. The lift-off distance between the sample and the sensor is one of the main obstacles for the thickness measurement of nonmagnetic coatings on ferromagnetic substrates when using the eddy current testing technique. Based on the eddy current thin-skin effect and the lift-off insensitive inductance (LII), a simplified iterative algorithm is proposed for reducing the lift-off variation effect using a multifrequency sensor. Compared to the previous techniques on compensating the lift-off error (e.g., the lift-off point of intersection) while retrieving the thickness, the simplified inductance algorithms avoid the computation burden of integration, which are used as embedded algorithms for the online retrieval of lift-offs via each frequency channel. The LII is determined by the dimension and geometry of the sensor, thus eliminating the need for empirical calibration. The method is validated by means of experimental measurements of the inductance of coatings with different materials and thicknesses on ferrous substrates (dual-phase alloy). The error of the calculated coating thickness has been controlled to within 3% for an extended lift-off range of up to 10 mm.


2021 ◽  
pp. 1-1
Author(s):  
Kefan Chen ◽  
Bin Gao ◽  
G.Y. Tian ◽  
Yupei Yang ◽  
Changrong Yang ◽  
...  

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document