Об авторе

Ершов Сергей Гениевич 

Директор ЗАО «Виматек», канд. физ-мат. наук, доцент, II уровень по магнитопорошковому и ка­пиллярному методам контроля, специалист в области физики поверхности твердого тела.

 Начало третьего тысячелетия в нашей стране характеризуется заметным подъ­емом производства во многих отраслях промышленности, в том числе - произ­водства труб различного сортамента, включая нефтяные и газовые. Но, в от­личие от советского периода, сегодня к производству труб предъявляются иные требования, и это касается, прежде все­го, качества производимой продукции.

Тело трубы контролируется ультра­звуковым, рентгеновским и другими ме­тодами. Наиболее высокие требования предъявляются к контролю качества концов и торцов труб, поскольку имен­но в этих областях при сварке труб и в процессе эксплуатации трубопроводов концентрируются механические напря­жения и деформации. Микроскопиче­ские трещины и расслоения, выходящие на поверхность и не оказывающие никакого влияния на потребительские свойства тела трубы, в напряженном состоянии металла увеличиваются в размерах и вызывают постепенное раз­рушение трубопровода. Поэтому сегодня на трубопрокатных заводах заметен по­вышенный интерес к методам контроля концов и торцов труб разного диаметра. Цель статьи - помочь специалистам со­ответствующих производств в какой-то мере восполнить существующий дефицит информации по этому вопросу.

При контроле качества концов и тор­цов труб необходимо выявлять микро­дефекты, которые столь малы, что они не могут быть обнаружены ни рентге­новским, ни ультразвуковым методами. Поэтому применяется самый чувстви­тельный метод - магнитопорошковая дефектоскопия. Этот метод включает в себя намагничивание объекта контроля и нанесение на его поверхность цветных или люминесцентных магнитных частиц малого размера, взвешенных в раз­личных средах. Дефект, находящийся на поверхности или в подповерхностной об­ласти, создает градиент магнитного по­ля, приводящий к скоплению магнитных частиц в области дефекта. Визуальное наблюдение скоплений частиц на по­верхности объекта контроля позволяет обнаружить дефекты. Чувствительность метода настолько высока, что могут быть обнаружены трещины с шириной раскрытия, составляющей доли микро­на и длиной менее миллиметра. Если ориентация дефекта параллельна век­тору намагниченности, то градиент поля крайне мал и дефект не обнаружива­ется. Поэтому контролируемый объект намагничивают в двух взаимно перпен­дикулярных направлениях. Это обеспе­чивает нахождение нарушений любой ориентации. В классическом варианте метод носит визуальный, качественный характер, а достоверность и качество контроля полностью определяются ком­петентностью и личными качествами дефектоскописта.

Рассмотрим основные технические ре­шения по установке для контроля концов и торцов труб.

Первый вариант обеспечивает по­перечное намагничивание конца трубы с помощью селеноида (рис. 1с), а цирку­лярное намагничивание - электродом, пропущенным внутрь трубы. Ток цирку­лярного намагничивания протекает по электроду, стенке трубы и наружному электроду, т.е. через два прижимных контакта к стенке трубы. Эту схему це­лесообразно использовать при контроле труб небольшого диаметра, поскольку с увеличением размеров трубы требуют­ся большие токи намагничивания, что сопряжено с опасностью образования «прижогов» в местах контактов трубы с электродами. Несомненным достоин­ством этого варианта является возмож­ность использования как переменного, так и постоянного токов намагничива­ния для контроля поверхностных и под­поверхностных дефектов.

Второй вариант схематически пред­ставлен на рис. 1б. Около торца трубы вращается подковообразный постоян­ный магнит (патент № 34017). Такой способ реализует условия вращающего­ся вектора намагниченности в околотор­цевой области материала трубы, что по­зволяет одновременно регистрировать дефекты любой ориентации. Вращение трубы вокруг своей оси дает возмож­ность последовательно контролировать всю поверхность торца независимо от диаметра трубы и делает возможным контроль труб любого диаметра. К недо­статкам такого метода относятся: невоз­можность регулировать напряженность намагничивающего поля (кроме как из­менением расстояния между магнитом и трубой); контроль только торцов трубы и различные значения поля для намагни­чивания вдоль и поперек стенки трубы. Последнее обстоятельство особенно негативно для достижения одинаково оптимальных условий выявляемое де­фектов во всех направлениях.

Заметным шагом вперед явилось ис­пользование в этих установках цветной высокоразрешающей видеокамеры для наблюдения за состоянием поверхности торца трубы и выявления индикаций. Это позволяет оператору покинуть ме­сто непосредственного контроля, сопря­женного с опасностью травматизма при вращении трубы, а также использовать оптическую систему видеокамер для увеличения контролируемой области до геометрических размеров, при кото­рых самые мелкие дефекты становятся легко различимы. Однако, несмотря на использование оптико-электронных средств наблюдения за состоянием по­верхности, магнитопорошковый метод в этой установке остался визуальным, т. е. роль дефектоскописта в процессе кон­троля сохранилась доминирующей.

Влияние оператора-дефектоскописта, его квалификации на результат визуаль­ного контроля - иными словами роль человеческого фактора - очень важна. Это существенно сдерживает развитие любого метода. Действительно, опера­тор непрерывно, в течение нескольких часов, должен напряженно всматривать­ся в индикаторный рисунок, созданный магнитными частицами на поверхности

объекта контроля. Особенно велико напряжение, когда выявляются мелкие дефекты. Естественно, что от операто­ра требуется предельная концентрация внимания, зрения и «шестого чувства», и находиться в таком состоянии в течение длительного времени - задача трудно­выполнимая. Монотонно выполняемая операция быстро рассеивает внимание, и возникает большая вероятность пропустить дефект, снижается достоверность контроля. Радикальное решение этой проблемы - использование программ автоматического поиска дефектов.

Рис. 1. Варианты схем намагничивания концов и торцов труб: а - с использованием селеноида и внутреннего электрода; б - с вращающимся постоянным магнитом; в - с ортогональными магнитопроводами с независимой регулировкой магнитного поля

Не менее актуальным является ав­томатический контроль важнейших параметров установки: интенсивности ультрафиолетового источника, степени затененности области контроля от внеш­него света, качества суспензии и т.д.

Стандарты на магнитопорошковый кон­троль требуют проверки этих параметров, например, перед началом каждой смены (а что будет с контролем, если, например, интенсивность источника УФ излучения изменится в середине смены?). На прак­тике операторы чаще полагаются на свой опыт и внешние признаки, чем на показа­ния приборов, и это ставит под сомнение результаты контроля и их надежность.

Рис. 2. Схема автоматизированной установки магнию порошкового контроля

Вариант полностью автоматизиро­ванной установки разработан фирмой «Виматек» - совместным российско-чешским предприятием (с чешской сто­роны - признанный лидер магнитопорошкового метода - компания АТС). В качестве намагничивающего элемента использованы ортогонально располо­женные магнитопроводы с катушками намагничивания и независимым регу­лированием тока в них (рис. 1в). Один из магнитопроводов охватывает стенку трубы на некоторую длину, намагничивая не только торец, но и конец трубы. Этим и независимым регулированием токов намагничивания ликвидируются недо­статки метода вращения постоянного магнита, но сохраняются преимущества последовательного контроля конца тру­бы большого диаметра по периметру при вращении трубы вокруг своей оси.

Рассмотрим работу установки более детально. Труба поднимается на пово-ротно-подъемных роликах в позицию контроля (рис. 2). С обоих концов к трубе по направляющим подъезжают две тест- станции, каждая из которых состоит из механических узлов перемещения стан­ции и ее позиционирования, электроники управления электро- и пневмопривода­ми, силовой электроники формирования токов намагничивания, ультрафиолето­вого источника, затемненного экрана, системы орошения концов труб магнито- порошковой суспензией, видеокамерами наблюдения. Каждая станция работает автономно в автоматическом режиме по следующему алгоритму.

Система автоматического слежения позиционирует тест-станцию на опреде­ленном расстоянии от конца трубы. Дат­чики УФ излучения и видимого света кон­тролируют затемненность места контроля и интенсивность УФ излучения. Проверя­ется наличие люминесцентной жидкости и ее качество (принцип проверки ка­чества зависит от свойств суспензии и включает, как правило, измерение двух параметров). Люминесцентная жидкость циркулирует по двум контурам - контуру перемешивания, активному перед нача­лом работы и между циклами контроля, и контуру орошения места контроля, ак­тивному при работе. Датчики магнитного поля, расположенные в зоне контроля и включенные в систему поддержания токов намагничивания, обеспечивают идентичные условия намагничивания. По спектральному составу видеосигнала определяются оптимальные условия опти­ческой фокусировки видеокамер, при необходимости осуществляется автома­тическое управление микродвигателями объектива камеры. Сигнал разрешения контроля торца и конца трубы выдается, если ни одна из перечисленных величин не выходит за допустимые пределы. Если программа управления обнаружит недопустимые отклонения от требуемых значений, то процесс контроля будет при­остановлен, и на экран дисплея операто­ра будет выдано сообщение об ошибке.

Далее труба намагничивается, по­ливается суспензией и поворачивается вокруг своей оси для контроля по всему периметру. Видеоизображение контроли­руемой области поступает на процессор обработки изображения с установленной программой автоматического поиска де­фектов.

Суть программы - в компьютерной обработке изображения, основанной на вычислении градиентов контрастности видеосигнала по различным направле­ниям, построении топологически связан­ных областей поверхности и фильтрации изображения от структурных элементов, которые считаются априорно известными (заметим, однако, что технические реше­ния проблемы автоматического поиска не так просты и очевидны, как собственно формулировка задачи). Программа до­пускает настройку на поиск дефектов с заданными параметрами или их превы­шающими, например, по длине дефекта, его площади, количеству дефектов на единицу площади и т.д.

При нахождении таких дефектов про­грамма выводит дефектное изображение на экран монитора, приостанавливает процесс контроля и звуковым сигналом оповещает оператора, который тща­тельно изучает подозрительное место и принимает окончательное решение о годности трубы. При этом оператор не работает в рутинном утомительном режиме непрерывного контроля, он за­нимается изучением только тех немногих участков поверхности трубы, на которые программа обратила его внимание (для принятия адекватного решения оператор может многократно увеличить изображе­ние дефектной области, улучшить его раз­нообразными фильтрами, записать в базу данных или воспользоваться базой дан­ных для сравнения и т.д.). В этом случае вероятность пропустить дефект становит­ся исчезающе мала. Имея компьютерное изображение подозрительного фрагмента трубы, оператор всегда может получить любую консультацию, воспользовавшись электронными средствами связи (вплоть до консультаций у заказчика труб).

Если программа не обнаруживает дефектов, то установка работает по заданной программе, контролируя по­следовательно одну трубу за другой без участия оператора. Команды на окончание контроля одной трубы и на­чало контроля другой вырабатываются внутри программы. Если обнаруживает­ся подозрительное место, то выполнение программы может быть приостановлено до решения оператора о качестве трубы, или подозрительное место может быть автоматически записано в базу данных, труба промаркирована, и контроль про­должен. Решение о пригодности трубы в этом случае принимается позднее, после анализа записей изображений.

Автоматические системы поиска об­ладают важнейшей перспективной осо­бенностью: они способны сигнализиро­вать о том, что дефекты присутствуют, даже если их размеры меньше допусти­мых. Это позволяет вносить коррективы в процесс производства еще до стадии возникновения брака.

Подводя итог, подчеркнем, что приме­нение систем видеонаблюдения контро­лируемой области позволяет исключить риск, связанный с нахождением дефектоскописта вблизи вращающейся трубы, а также увеличить геометрические раз­меры контролируемой области так, что­бы мелкие дефекты легко различались. Использование системы улучшения и архивирования индикаторных изображе­ний, совмещенной с системой поиска и расшифровки дефектов, исключает вли­яние человеческого фактора на качество контроля. А применение системы контро­ля важнейших параметров установки по­вышает достоверность и однозначность результатов контроля.