К возможности оценки степени коррозионных поражений вихретоковым методом контроля

Введение

В Российской Федерации ежегодные потери металлов из-за их коррозии составляют до 12 % общей массы металлофонда, что соответствует утрате до 30 % ежегодно производимого металла [1, 2]. Коррозионная стойкость оказывает существенное влияние на эксплуатационные свойства, ресурс и долговечность авиационных деталей из алюминиевых сплавов. Результаты исследования коррозионной стойкости алюминиевых сплавов позволяют обосновать рекомендации по необходимому уровню защиты материала, а также прогнозировать изменение его свойств в процессе эксплуатации [3–7].

В настоящее время для обнаружения коррозионных поражений различного типа в основном применяются ультразвуковой, вихретоковый и капиллярный методы контроля. Капиллярный метод контроля наряду с множеством достоинств, таких как относительная простота технологического процесса, высокая производительность, наглядность при регистрации результатов, имеет ряд недостатков, среди которых следует выделить невозможность определения глубины коррозионного поражения с использованием данного метода [8, 9]. Реализация капиллярного и ультразвукового методов контроля предполагает подготовку поверхности объекта контроля и использование контактной жидкости, что дополнительно ограничивает области применения данных методов.

Вихретоковый метод позволяет не только обнаруживать, но и оценивать степень коррозионных поражений различного типа [10]. Поскольку большая часть практических задач связана с контролем плоских поверхностей на наличие коррозионных поражений или односторонним доступом к объекту контроля, то в данной статье рассматривается применение вихретокового преобразователя наиболее распространенного накладного типа. Появление и развитие коррозии приводит к изменению сигнала вихретокового преобразователя за счет уменьшения толщины проводящего слоя, а также из-за изменения топологии распределения вихревых токов в объекте контроля. Рассмотрим межкристаллитную и точечную (питтинговую) коррозию. Коррозионные поражения заданной степени могут быть получены электрохимическим способом.

Материалы и методы

Основное влияние на достоверность определения степени коррозионных поражений вихретоковым методом оказывают такие факторы, как нестабильность зазора и угла наклона преобразователя. Для разработки эффективных методов отстройки от перечисленных мешающих факторов применяется численное моделирование. Рассмотрим и проанализируем эффективность применения распространенных двухпараметровых способов выделения информативного сигнала: фазового и амплитудно-фазового методов [11–13]. Эффективность метода отстройки определяется увеличением отношения сигнала, характеризующего степень коррозионного поражения, к уровню помех, вызванных влиянием мешающих факторов.

Расчеты сигналов преобразователя проводили с помощью метода конечных элементов. При разбиении области решения на конечные элементы учитываются геометрические размеры составных частей модели: увеличение детализации и уменьшение относительного размера областей модели с разными свойствами или элементов границ этих областей приводят к увеличению количества элементов. Разбиение модели на более подробную сетку конечных элементов значительно увеличивает продолжительность расчета. Имитация коррозионных поражений путем изменения толщины позволяет качественно оценить закономерности, сравнить различные режимы работы и конструкции преобразователей без необходимости моделировать сложные структуры, такие как межкристаллитная и питтинговая коррозия. При проведении экспериментальных исследований образцы с переменной толщиной (набор пластин, образцы в виде клина или с глухими отверстиями) могут также применяться для сравнения возможностей оборудования и проверки работоспособности математической модели.

Для экспериментальной реализации амплитудно-фазового метода отстройки компенсацию сигнала вихретокового преобразователя производили на образце с номинальной толщиной 1 мм, а годограф изменения вносимого напряжения при изменении зазора совмещался с осью Х на комплексной плоскости. Усиление по оси Х выставляли минимальным, а по мнимой оси таким, чтобы амплитуда сигнала от образца не превышала диапазон значений входного усилителя вихретокового дефектоскопа. После реализации настройки для применения амплитудно-фазового метода получены сигналы вносимого напряжения на образце толщиной 0,9 мм на разных частотах – в диапазоне от 30 до 100 кГц.

Для экспериментальной реализации фазового метода отстройки компенсацию сигнала вихретокового преобразователя производили на воздухе. Далее фиксировали значения фазы, получаемые на образцах с различной толщиной (0,9 и 1 мм). Изменение фазы сигнала фиксировали при перестановке преобразователя с образца толщиной 1 мм на образец толщиной 0,9 мм.

Для сравнения существующих методов отстройки влияния воздушного зазора на сигнал построена математическая модель взаимодействия вихретокового преобразователя с объектом контроля (рис. 1). Расчет сигналов вихретокового преобразователя реализован с помощью метода конечных элементов, который заключается в разбиении области решения на конечные элементы. Внутри каждого элемента вводится аппроксимация исходной функции, а решение определяется путем минимизации соответствующего функционала.

Рис. 1. Математическая модель вихретокового преобразователя

Верификацию модели проводили с использованием образцов в виде пластин из алюминиевого сплава 1163 толщиной 1 и 0,9 мм. Образцы изготовлены из одного листа алюминиевого сплава 1163 с предварительно снятым плакировочным слоем. Толщина одной пластины уменьшена с помощью травления на 0,1 мм. Удельная электрическая проводимость образов определена вихретоковым методом контроля и составляет 17,5 МСм/м [14]. Параметры накладного вихретокового дифференциального преобразователя в математической модели задавали соответствующими параметрам датчика 700Р11А со средним радиусом катушки возбуждения 2,65 мм [15].

Основным фактором, определяющим чувствительность вносимого напряжения к изменению зазора как при амплитудно-фазовом, так и при фазовом методах отстройки, является кривизна годографа вносимого напряжения, образованного при изменении зазора. Для оценки влияния зазора рассчитаны значения вносимого напряжения при отклонении зазора на 0,1 и 0,5 мм от номинального значения 1 мм. Для имитации амплитудно-фазового метода отстройки от влияния зазора, вручную полученные сигналы при изменении зазора и толщины преобразованы поворотом фазы на угол вектора вносимого напряжения, соответствующего изменению зазора на 0,5 мм. Для сравнения экспериментальных данных с данными численного моделирования рассчитана мнимая часть преобразованных векторов вносимого напряжения, соответствующая изменению зазора и толщины. Изменение зазора на 0,1 мм использовали для имитации случайных колебаний зазора между поверхностью объекта контроля и преобразователем в процессе контроля.

На рис. 2, а приведены зависимости проекции вносимого напряжения при изменении частоты в диапазоне от 30 Гц до 100 кГц. Результаты математического моделирования сопоставлены с результатами, полученными экспериментальным путем.

Фазовый метод отстройки с помощью численного моделирования реализован вычитанием фазы сигнала, рассчитанного при номинальных параметрах, из фазы, получаемой при изменении толщины и зазора. Для компенсации сигнала вихретокового преобразователя использовали вычитание сигнала без объекта контроля из значений сигнала при изменении параметров толщины и зазора. На рис. 2, б приведены зависимости изменения значений фазы вносимого напряжения от частоты в диапазоне от 30 Гц до 100 кГц, полученные с помощью математической модели и экспериментально, при различных значениях толщины образца. Видно, что частота тока возбуждения, соответствующая максимальному приращению амплитуды и фазы вносимого напряжения, зависит от диаметра вихретокового преобразователя.

Рис. 2. Зависимости проекции (а) и фазы (б) вносимого напряжения от частоты, полученные с помощью математической модели (датчики радиусом 1,9 (■), 6 (■) и 12 мм (■)) и экспериментально (радиус датчика 1,9 мм (■))

Для численной оценки эффективности применения метода отстройки от влияния мешающего фактора можно использовать коэффициент k, который рассчитывается как отношение вносимого напряжения при изменении зазора (U_∆z) к вносимому напряжению при изменении толщины (U_∆h):

Результаты расчета для коэффициента k для различных радиусов вихретокового преобразователя при реализации амплитудно-фазового и фазового методов отстройки приведены на рис. 3.

Рис. 3. Зависимости коэффициента k от диаметра вихретокового преобразователя для сравнения фазового (■) и амплитудно-фазового (♦) методов отстройки

Видно, что при применении амплитудно-фазового метода отстройки соотношение сигнал/шум значительно меньше, чем при фазовом методе. Значение коэффициента k также зависит от диаметра накладного вихретокового преобразователя. Пересечение графика зависимости коэффициента k с осью абсцисс на рис. 3 соответствует изменению кривизны годографа зазора для данной комбинации параметров объекта контроля и частоты тока возбуждения преобразователя. При изменении параметров объекта контроля, в том числе при возникновении коррозионных поражений, соотношение между изменением вносимого напряжения, вызванного изменением воздушного зазора, и изменением вносимого напряжения от изменяемого параметра может значительно ухудшиться. Для амплитудно-фазового метода отстройки характерно приемлемое подавление влияния зазора в широком диапазоне параметров объекта контроля и диаметров преобразователя.

Проанализируем степень влияния питтинговой коррозии на сигнал накладного вихретокового преобразователя. С помощью разработанной конечно-элементной модели взаимодействия вихретокового преобразователя 701P11 с объектом контроля рассчитаны зависимости вносимого напряжения от количества поражений в виде питтингов, попавших в область распределения вихревых токов под датчиком. Расчет выполняли на трех частотах: 5, 20 и 100 кГц. Для сопоставления расчетных и экспериментальных данных, значения реальной и мнимой частей вносимого напряжения преобразовывали в значение проекции изменения вносимого напряжения на ось, ортогональную изменению вносимого напряжения, обусловленного изменением зазора. Это аналогично применению амплитудно-фазового метода для отстройки от влияния зазора при экспериментальных исследованиях. На рис. 4 приведена зависимость приращения вносимого напряжения от количества питтингов.

Рис. 4. Изменение вносимого потока в зависимости от количества питтингов и частоты

Видно, что приращение вносимого напряжения практически линейно меняется с увеличением количества поражений. Таким образом, вносимое напряжение от нескольких питтинговых поражений можно с приемлемой точностью оценивать суммой вносимых напряжений от каждого отдельного поражения. Во всем диапазоне частот, который доступен с применяемым преобразователем, сохраняется чувствительность вносимого напряжения к появлению питтинговых поражений. Увеличение чувствительности с увеличением частоты с 5 до 20 кГц объясняется увеличением угла между вектором вносимого напряжения, обусловленного появлением питтинга, и вектором, обусловленным изменением воздушного зазора.

Степень коррозионных поражений связана с изменением времени экспозиции образцов, которое, в свою очередь, приводит к изменению количества электричества, отнесенного к экспонируемой площади образца Q/S (Кл/см²). Коррозионные поражения наносили электрохимическим способом в специальной ячейке, сконструированной специалистами ФГУП «ВИАМ», которая позволяет равномерно наносить коррозию с обеих сторон плоского образца. В ячейке, заполненной раствором специального состава, фиксировали образец между электродами, которые подключали к источнику тока. Процесс получения коррозионных поражений проводили при плотностях электрического тока от 0,001 до 0,04 А/см² с продолжительностью электрохимического процесса от 30 мин до 1 ч. Для получения питтинговой коррозии использовали раствор состава: 1 г/л NaCl и 13 г/л Na₂NO₃, а для получения межкристаллитной коррозии в совокупности с питтингами использовали раствор, получаемый из 1 г/л NaCl и 10 г/л Na₂SO₃ (безнитратный раствор) [16].

На рис. 5 представлена полученная экспериментальным путем зависимость сигнала вихретокового преобразователя от количества электричества для частоты 5 кГц.

Видно, что существует корреляция между степенью коррозионных поражений в виде питтингов и сигналом вихретокового преобразователя. Полученные экспериментальные данные подтверждают линейную зависимость сигнала преобразователя от степени поражения.

На рис. 6 представлены полученные экспериментальные зависимости сигнала вихретокового преобразователя от количества электричества для частоты 5 кГц для образцов с межкристаллитной коррозией.

Рис. 5. Изменение сигнала вихретокового преобразователя в зависимости от степени питтинговых коррозионных поражений для сплава 1163 (АЦП – аналого-цифровой преобразователь)

Рис. 6. Изменение сигнала вихретокового преобразователя в зависимости от степени коррозионных поражений в виде межкристаллитной коррозии для сплава 1163 (АЦП – аналого-цифровой преобразователь)

Как видно из представленных зависимостей, полученных для образцов с межкристаллитной коррозией, сигнал вихретокового преобразователя также хорошо коррелирует со степенью поражений, но при тех же экспозициях величина сигнала на образцах с межкристаллитной коррозией значительно больше, чем для образцов с питтинговой коррозией. Это обусловлено тем, что межкристаллитное растрескивание приводит к появлению на поверхности практически непроводящего слоя, что эквивалентно уменьшению толщины образца. Таким образом, небольшая по глубине межкристаллитная коррозия или язва под преобразователем могут маскировать глубокие питтинговые поражения.

В отличие от чувствительности к питтинговым поражениям чувствительность к изменению толщины образца существенно изменяется с частотой тока возбуждения, что должно позволить дифференцировать тип коррозионного поражения при использовании многочастотного возбуждения.

Заключения

По результатам экспериментальных исследований и математического моделирования подтверждена возможность осуществлять количественную оценку степени коррозионных поражений с помощью вихретокового метода, а также определять тип коррозии. В данной статье проведен сравнительный анализ различных методов отстройки от влияния мешающих факторов, выполненный с помощью математического моделирования. Показано, что амплитудно-фазовый метод позволяет наиболее эффективно отстроиться от влияния изменения воздушного зазора между преобразователем и объектом контроля в широком диапазоне изменения значений электрических свойств и толщины образцов.

С помощью математического моделирования также установлено, что сигнал преобразователя от нескольких точечных поражений можно оценить как сумму сигналов от каждого отдельного дефекта в зоне контроля. С помощью исследований на образцах с коррозионными поражениями различного типа подтверждена корреляция сигнала вихретокового преобразователя и степени поражений. Межкристаллитная коррозия приводит к существенно большему изменению вносимого напряжения преобразователя, чем питтинговая коррозия, при сопоставимых значениях глубины поражения. Таким образом, достоверная оценка степени поражений вихретоковым методом возможна только после предварительного определения типа коррозии.