ELEKTROMAGNETYCZNY MIERNIK GRUBOŚCI WARSTWY NAWĘGLONEJ RUR ZE STALI AUSTENITYCZNYCH

Transkrypt

1 ELEKTROMAGNETYCZNY MIERNIK GRUBOŚCI WARSTWY NAWĘGLONEJ RUR ZE STALI AUSTENITYCZNYCH Anna LEWIŃSKA-ROMICKA Politechnika Warszawska Instytut Metrologii i Systemów Pomiarowych 1. WSTĘP Przedmiotem niniejszego artykułu jest opis problematyki wykorzystania metody elektromagnetycznej badań nieniszczących. Przedstawiono miernik, przeznaczony do pomiaru grubości warstwy nawęglonej w stalach austenitycznych, pracujący w oparciu o tę metodę. Konieczność rozwiązania problemu pomiaru grubości warstwy nawęglonej w stalach austenitycznych wyniknęła z potrzeb krajowego przemysłu (Petrochemia Płock) [5]. Przykładowym materiałem badanym jest materiał rur ze stali austenitycznej HPMod (poprzednio: staliwo HK40). Średnica rur wynosi 200 mm, a grubość ścianki 11 mm. Rury z takich materiałów, podczas pracy, w wysokich temperaturach i w środowisku węglowodorów (od wnętrz rur), ulegają degradacji. Materiał rur ulega nawęglaniu, od ich środka. Zaobserwowane nawęglenie może obejmować znaczny procent grubości rur. Materiał rur staje się kruchy. Następuje też rozrost ziarna materiału rur. Występują wydzielenia węglików na granicach ziaren. Pojawia się nierównomierność składu. Rury odkształcają się. Stają się owalne, a także pękają. Na fotografii 1 pokazano odcinki odkształconych rur ze stali austenitycznej HPMod. Fot. 1. Odcinki odkształconych rur ze stali austenitycznej HPMod Na fotografii 2 pokazano fragment przekroju rury, z pęknięciem. 1

2 Fot. 2. Fragment obwodu rury ze stali austenitycznej HPMod, zawierającej pęknięcie 2. POMIARY GRUBOŚCI WARSTWY NAWĘGLONEJ Do pomiaru grubości warstwy nawęglonej rur, wykonanych ze stali austenitycznej, wybrano metodę elektromagnetyczną badań nieniszczących. Metoda elektromagnetyczna jest znana z jej zastosowań w pomiarach grubości powłok galwanicznych (z wyjątkiem powłok niklowych), wykonanych z metali nieferromagnetycznych oraz powłok z lakierów i powłok z tworzyw sztucznych, naniesionych na podłoże z materiałów ferromagnetycznych [6]. Na rysunku 3 pokazano jednobiegunowy generacyjny przetwornik indukcyjnościowy, pracujący w oparciu o metodę elektromagnetyczną. Przetwornik znajduje się na materiale na rurze ze stali austenitycznej, której, tu przykładowo, znaczną część grubości zajmuje warstwa nawęglona. Austenit Rys. 3. Jednobiegunowy generacyjny przetwornik elektromagnetyczny: 1 - prąd wzbudzający: I ~, 2 - karkas, 3 - przykładowe linie sił zmiennego pola magnetycznego, o stosunkowo małej częstotliwości, 2

3 4 - sygnał wyjściowy przetwornika: U = f (g); warstwa biała - stal austenityczna, warstwa ciemna - warstwa nawęglona ( podłoże ferromagnetyczne ) Przetwornik (rys. 3) jest transformatorem prądowym, o otwartym obwodzie magnetycznym. Przetworniki elektromagnetyczne, w ich zastosowaniach do pomiarów grubości powłok, są zwykle wzbudzane polem zmiennym, o stosunkowo małej częstotliwości, wynoszącej np. od 200 Hz do 2000 Hz. Przy umieszczeniu sondy z przetwornikiem, np. na stali austenitycznej, pod którą znajduje się warstwa nawęglona (ferromagnetyczna) obwód magnetyczny zamyka się przez te materiały. Stal austenityczna stanowi pewien rodzaj szczeliny w następującym obwodzie magnetycznym: przetwornik stal austenityczna warstwa nawęglona (ferromagnetyczna). Szczelina ta, w przypadku pomiaru grubości warstwy nawęglonej, poprzez materiał macierzysty - stal austenityczną (paramagnetyczną), ma odmienne właściwości magnetyczne, w porównaniu z ferromagnetyczną warstwą nawęgloną tego materiału, wyżej wymienionych rur. Szczelina ta ma inną oporność magnetyczną, stosownie do następującej zależności: l Rμ = (1) μ μ S gdzie: R μ - oporność magnetyczna fragmentu obwodu magnetycznego, l - długość obwodu magnetycznego, μ 0 - przenikalność magnetyczna próżni, μ r - przenikalność magnetyczna względna materiału, S - powierzchnia przekroju obwodu magnetycznego. 0 r Prąd wzbudzający, o stosunkowo małej częstotliwości i o stałej amplitudzie, płynący przez uzwojenie pierwotne przetwornika, wprowadza do materiałów pole magnetyczne o małej częstotliwości. Indukcja magnetyczna tego pola oraz sygnał wyjściowy przetwornika zależy m. in. od grubości warstwy nawęglonej ww. rur, a w przypadku typowych warstwomierzy - odpowiednio od odległości (grubości powłok) pomiędzy przetwornikiem a podłożem. Sygnał wyjściowy jest pobierany z wtórnego uzwojenia przetwornika elektromagnetycznego (rys. 3). Napięcie indukowane w uzwojeniu wtórnym przetwornika elektromagnetycznego, zależy przede wszystkim od: 1/ grubości warstwy nawęglonej, 2/ przenikalności magnetycznej materiału podłoża i materiału warstwy, 3/ promienia krzywizny obiektu, 4/ grubości materiału macierzystego, 5/ pola powierzchni, na jakiej przeprowadzany jest pomiar, 6/ odległości miejsca pomiaru od krawędzi obiektu, 7/ parametrów elektrycznych przetwornika, 8/ częstotliwości pracy przetwornika. Model matematyczny układu przetwornik materiał badany opisuje zależność parametrów wyjściowego napięcia przetwornika, od grubości warstwy nawęglonej lub odpowiednio zależność od grubości powłoki. Praktyczna realizacja modelu matematycznego polega na odpowiedniej kalibracji grubościomierzy elektromagnetycznych. Warunki kalibracji grubościomierzy / warstwomierzy muszą uwzględniać wyżej wymienione czynniki. 3

4 Dokładność pomiaru grubości warstwy nawęglonej lub grubości powłok metodą elektromagnetyczną zależy w dużym stopniu od doboru materiałów i sposobu kalibracji. Kalibracja powinna być co najmniej dwupunktowa, jak to dotychczas wprowadzano w różnych warstwomierzach. Kalibracja dwupunktowa polega na doborze nastaw grubościomierzy / warstwomierzy, na przykład: 1/ bez warstwy nawęglonej lub odpowiednio bez pokrycia i 2/ materiału z taką warstwą lub danym pokryciem, o grubości, odpowiadającej końcowej wartości danego zakresu pomiarowego. Wskazana jest jednak kalibracja wielopunktowa, obejmująca cały zakres pomiarowy. Charakterystyki (krzywe) kalibracyjne, otrzymane na podstawie pomiarów, wprowadzane są do pamięci nowoczesnych mierników grubości warstw i powłok. Parametry próbek odniesienia, tj. odpowiednio grubości warstwy nawęglonej lub odpowiednio grubości powłok, obejmujące cały żądany zakres pomiarowy, muszą być określone inną metodą, przeważnie niszczącą. Materiał, na którym przeprowadza się kalibrację, powinny mieć takie same właściwości fizyczne (w przypadku pomiaru grubości warstwy nawęglonej - przewodność elektryczną właściwą i przenikalność magnetyczną) i geometryczne (promień krzywizny), co materiał obiektu badanego. 3. Sposób doboru parametrów pracy przetwornika elektromagnetycznego Najbardziej istotne, w aplikacjach metody elektromagnetycznej, jest zróżnicowanie wpływu poszczególnych czynników: wielkości istotnych przy danym celu kontroli i czynników zakłócających - na sygnały przetworników indukcyjnościowych. Istotnym parametrem pracy przetworników indukcyjnościowych jest ich częstotliwość pracy. W zastosowaniach metody elektromagnetycznej odgrywają rolę: 1/ głębokość wnikania pola magnetycznego, 2/ relacje fazowe pomiędzy sygnałami, dla poszczególnych czynników, zarówno wielkości istotnych, przy danym celu kontroli, jak i czynników zakłócających. Analiza wpływu głębokości wnikania pola magnetycznego i np. relacji fazowych pomiędzy sygnałami, dla różnych czynników, może dawać sprzeczne, ze względu na wybór częstotliwości pracy przetwornika, uwarunkowania [3, 4]. Najlepiej jest wybierać częstotliwość, przy której, istotne w danych badaniach lub w danych pomiarach sygnały, dla interesujących wielkości i dla czynników zakłócających, charakteryzują się znacznie różniącym się kątem przesunięcia fazy. Przy pomiarach grubości materiałów, np. grubości warstwy nawęglonej, a przede wszystkim przy pomiarach grubości materiałów o stosunkowo dużej grubości, który to przypadek dotyczy opisywanych pomiarów grubości warstwy nawęglonej, powinny być wybierane stosunkowo małe częstotliwości pracy przetworników indukcyjnościowych. Przy takich częstotliwościach pracy przetworników indukcyjnościowych, dla przypadku pomiaru grubości warstwy nawęglonej, jest zapewniona odpowiednia głębokość wnikania pola magnetycznego, do badanych materiałów, a także minimalizowany jest wpływ prądów wirowych, na sygnały wyjściowe przetwornika. Przyjęto uważać za standardową głębokość wnikania pola magnetycznego, do materiałów, taką głębokość ich penetracji δ, przy której amplituda tych wielkości zmniejsza się e krotnie (tj. do 37 %), w stosunku do ich wartości na powierzchni materiałów. 4

5 Standardowa głębokość wnikania δ pola magnetycznego, do materiałów, jest opisana przez następującą zależność [2 6]: δ = (3.1) f γ μ r gdzie: δ - głębokość wnikania pola magnetycznego, do materiałów, w mm, f - częstotliwość pracy przetwornika, w Hz, γ - przewodność elektryczna właściwa materiału, w S/m, μ r przenikalność magnetyczna względna materiału, bezwymiarowa. Z zależności (3.1) wynika, że im warstwy lub powłoki są grubsze, tym do pomiaru ich grubości należy stosować mniejsze częstotliwości. W tablicy 1 podano wartości δ standardowej głębokości wnikania pola magnetycznego, do stali austenitycznej. Do obliczeń założono wartość przewodności elektrycznej właściwej stali austenitycznej równą γ = 1 MS/m (przewodność stali austenitycznych może zawierać się w zakresie γ = 0,5 1,4 MS/m [3]) i jej przenikalność magnetyczną względną wynoszącą μ r = 1. Tablica 1 Wartości standardowej głębokości wnikania δ pola magnetycznego - do stali austenitycznej (dla: γ = 1 MS/m; μ r = 1) [3] f Hz δ mm 70,7 50,0 35,36 22,36 15,81 11,18 7,07 5,00 4. Metody analizy sygnałów przetworników indukcyjnościowych W wielu dotychczas wytwarzanych warstwomierzach elektromagnetycznych wprowadzana była amplitudowa analiza sygnałów przetworników indukcyjnościowych. W opisywanym mierniku wprowadzono fazoczułą analizę sygnałów przetworników [6]. Przy wprowadzeniu analizy amplitudy napięć, o określonej fazie, np. w przypadku pomiarów grubości warstwy nawęglonej, jest możliwe wyodrębnienie sygnałów, wywołanych przez interesującą wielkość, na tle sygnałów, spowodowanych przez czynnik zakłócający. Przesłankami wyboru częstotliwości pracy przetwornika [3, 4], mogą być relacje fazowe pomiędzy sygnałami, wywołanymi przez interesujące wielkości, a sygnałami, spowodowanymi przez wielkości zakłócające. Interesującymi wielkościami, które tu rozpatrujemy, są np. grubość określonych powłok, zmiany przewodności i zmiany grubości materiałów. Na rysunku 4 pokazano wartości sygnałów opracowanego przez autorkę stykowego przetwornika indukcyjnościowego, zastosowanego do pomiaru grubości warstwy nawęglonej, poprzez macierzystą stal austenityczną. 5

6 Linie ciągłe, na rysunku 4a, przedstawiają fragment charakterystyki kalibracyjnej, miernika grubości warstwy nawęglonej ROMIK 302. Na rysunku tym pokazano wartości składowej rzeczywistej i składowej urojonej napięcia opracowanego przetwornika transformatorowego, dla czterech punktów pomiarowych, odpowiadających różnym grubościom warstwy nawęglonej stali austenitycznej rur. Linie przerywane, na rysunku 4a, pokazują przykładowy kierunek napięć, na płaszczyźnie zmiennej zespolonej, dla prądów wirowych powstających w materiale badanym. Eliminacja wpływu prądów wirowych, na sygnały miernika grubości warstwy nawęglonej wymaga elektronicznego rzutowania punktów pomiarowych, na charakterystykę kalibracyjną miernika (linie ciągłe), wzdłuż pokazanych na rys. 4a linii przerywanych. a) Im U b) Re U Przetwornik indukcyjnościowy d stal austenityczna g warstwa nawęglona stali austenitycznej Rys. 4. Ilustracja do opisu metodyki fazoczułej jednowymiarowej analizy sygnałów stykowego przetwornika indukcyjnościowego, zastosowanego do pomiaru grubości warstwy nawęglonej, poprzez macierzystą stal austenityczną rur: a) fragment charakterystyki kalibracyjnej - sygnały stykowego przetwornika indukcyjnościowego współpracującego z miernikiem grubości warstwy nawęglonej, b) stykowy przetwornik indukcyjnościowy, w zastosowaniu do pomiaru grubości warstwy nawęglonej, poprzez macierzystą stal austenityczną rur, d grubość materiału macierzystego stali austenitycznej, g grubość mierzonej warstwy nawęglonej 6

7 5. Opis miernika grubości warstwy nawęglonej ROMIK 302 Na rysunku 5 pokazano schemat blokowy miernika grubości warstwy nawęglonej ROMIK 302. Układ modelowania krzywych kalibracyjnych sygnał odniesienia Generator Wyniki sygnał synchronizacji Układ pomiarowy analizy fazoczułej Układ interpretacji wyników pomiarów wyniki wyniki Wyświetlacze Przetwornik pomiarowy uzwojenie pierwotne Pamięci Łącze do komputera Przetwornik pomiarowy uzwojenie wtórne Rys. 5. Schemat blokowy miernika grubości warstwy nawęglonej ROMIK 302 Miernik grubości warstwy nawęglonej ROMIK 302 współpracuje z transformatorowym przetwornikiem indukcyjnościowym, pracującym w oparciu o metodę elektromagnetyczną, o konfiguracji analogicznej do przedstawionej na rys. 3. Miernik zawiera generator sygnału harmonicznego. Częstotliwości generatora mogą być nastawiane w zakresie od 10 Hz do 1000 Hz. Sygnał z generatora jest podawany do pierwotnego uzwojenia przetwornika pomiarowego. Sygnały z wtórnego uzwojenia przetwornika są podawane do fazoczułego układu pomiarowego. Do fazoczułego układu pomiarowego są także podawane: sygnał odniesienia i sygnał synchronizacji. W fazoczułym układzie pomiarowym określane są: składowa rzeczywista i składowa urojona sygnału pomiarowego, pobieranego z wtórnego uzwojenia przetwornika pomiarowego. W celu dokonania pomiarów grubości warstwy nawęglonej konieczne jest przygotowanie charakterystyki kalibracyjnej. Charakterystyka kalibracyjna zawiera wyniki pomiarów sygnałów przetwornika, dla próbek odniesienia o określonych grubościach warstwy nawęglonej, w danej stali austenitycznej, dla określonego przetwornika i dla wybranej częstotliwości jego pracy. W celu zapewnienia możliwości tworzenia charakterystyk kalibracyjnych grubości warstwy nawęglonej miernik ROMIK 302 jest wyposażony w 51 banków kalibracyjnych. W jednym banku kalibracyjnym są zapamiętywane dane dla jednej charakterystyki kalibracyjnej, 7

8 dla wybranego przetwornika pomiarowego. W każdym banku kalibracyjnym mogą być zapamiętane 32 dane dla próbek odniesienia. Przy interpretacji wyników pomiarów jest stosowana interpolacja lub ekstrapolacja liniowa. Wyniki pomiarów są zapamiętywane i są wyświetlane na wskaźnikach cyfrowych. W celu zapamiętywania wyników pomiarów grubości warstwy nawęglonej miernik ROMIK 302 jest wyposażony w 65 banków pomiarowych. W każdym banku można zapamiętać 256 wyników pomiarów. Miernik ROMIK 302 wykonano w technice mikroprocesorowej. Wyniki pomiarów mogą być przesyłane z miernika ROMIK 302 do komputera, przy wykorzystaniu łącza szeregowego RS 232. Przetwornik opracowała Anna Lewińska Romicka, układ elektroniczny miernika opracował Stefan Romicki. 6. Bibliografia 1. J. Deputat: Nieniszczące metody badania własności materiałów. Wydawnictwo Biuro Gamma. Warszawa, A. Lewińska-Romicka: Badania magnetyczne. Podręcznik, tom I, tom II. Wydawnictwo Biuro Gamma. Warszawa, A. Lewińska-Romicka: Badania nieniszczące. Podstawy defektoskopii. Wydawnictwa Naukowo - Techniczne. Warszawa, A. Lewińska-Romicka: Defektoskopia wiroprądowa. Poradnik. Wydawnictwo Biuro Gamma. Warszawa, A. Lewińska-Romicka: Nowe osiągnięcia w zakresie elektromagnetycznych metod badania materiałów. Wykłady dziewiątego seminarium szkoleniowego, Zakopane, , organizacja Seminarium Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, Pracownia Ultradźwiękowych Badań Materiałów i Biuro Gamma z Warszawy 6. A. Lewińska-Romicka: Pomiary grubości powłok. Wydawnictwo Biuro Gamma. Warszawa, Oleś A.: Metody doświadczalne fizyki ciała stałego. WNT, Warszawa