|
DOI: 10.14489/td.2024.02.pp.015-028
Шкатов П. Н.
МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ТРЕЩИНЫ, ОБТЕКАЕМОЙ РАВНОМЕРНО РАСПРЕДЕЛЕННЫМ ВИХРЕВЫМ ТОКОМ
(c. 15-28)
Аннотация. Во все более широко используемых на практике вихретоковых преобразователях с возбуждением равномерно распределенного вихревого тока применяется измерение различных составляющих магнитного поля дефекта, возникающих при обтекании поверхностных трещин. Закономерности формирования ортогональной к поверхности объекта контроля (нормальной) Hn, а также параллельной плоскости трещины (тангенциальной) Hт составляющих напряженности магнитного поля дефекта достаточно очевидны и позволяют установить, что их экстремальные значения возникают в плоскости трещины над ее концами и центром соответственно. В то же время механизм формирования осевой составляющей Hх, направленной перпендикулярно к плоскости трещины, не имеет удовлетворительного модельного представления. Эксперименты и прямые численные расчеты показывают сложный характер функции Hх. Она имеет в окрестности трещины четыре области с различным направлением, а ее четыре экстремума возникают на некотором расстоянии от плоскости трещины и смещены относительно оси симметрии. Отсутствие простого модельного представления формирования функции Hх затрудняет понимание функционирования и разработку соответствующих вихретоковых преобразователей. Представленная статья посвящена решению данной проблемы.
Ключевые слова: равномерно распределенный вихревой ток, осевая составляющая магнитного поля дефекта, модель формирования.
Shkatov P. N.
A MODEL OF THE MAGNETIC FIELD OF A CRACK SURROUNDED BY A UNIFORM EDDY CURRENT
(pp. 15-28)
Abstract. Eddy current probes with uniform eddy currents, which are increasingly often used in practice, use the measurement of various components of the magnetic field of a defect arising when the current flows around surface cracks. The patterns of formation of components of the magnetic field strength of the defect that are orthogonal to the surface of the tested object (normal) Hn, as well as parallel to the plane of the crack (tangential) Ht are quite obvious and allow us to establish that their extreme values arise in the plane of the crack above its ends and center, respectively. At the same time, there does not exist a satisfactory model of the mechanism of formation of the axial component Hx, directed perpendicular to the crack plane. Both experiments and numerical calculations show the complex character of the function Hx. It has 4 regions with different directions in the vicinity of the crack, and its four extrema arise at a certain distance from the plane of the crack and are shifted relative to the axis of symmetry. The lack of a simple model of the formation of the function Hx makes it difficult to understand the functioning and develop appropriate eddy current transducers. The present paper addresses this problem.
Keywords: uniform eddy current, axial component of the magnetic field of the defect, a model of formation.
П. Н. Шкатов (МИРЭА – Российский технологический университет, Москва, Россия) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
P. N. Shkatov (MIREA – Russian Technological University, Moscow, Russia) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
1. Шкатов П. Н., Дидин Г. А., Ермолаев А. А., Родюков М. С. Дефектоскопия графитированных электродов электропечных агрегатов // Приборы. 2021. № 9(255). С. 11‒19.
2. Yang L., Li J., Zheng W., Liu B. Simulation and Design of a Balanced-Field Electromagnetic Technique Sensor for Crack Detection in Long-Distance Oil and Gas Pipelines // Energies. 2022. V. 15. P. 5274.
3. Zhao S., Shen Y., Sun L., et al. A Method to Compensate for the Lift off Effect of ACFM in Crack Estimation of Nonferromagnetic Metals // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2022. V. 554. P. 169301.
4. Raine A., Lugg M. A Review of the Alternating Current Field Measurement Inspection Technique // Sensors Reviews. 1999. V. 19. P. 207–213. DOI: 10.1108/02602289910279166
5. Федосенко Ю. К., Шкатов П. Н., Ефимов А. Г. Вихретоковый контроль: учеб. пособие для подготовки специалистов по неразрушающему контролю и технической диагностике / под общ. ред. В. В. Клюева. 2-е изд. М.: ИД «Спектр», 2014. 224 с. (Диагностика безопасности / Российское о-во по неразрушающему контролю и технической диагностике).
6. Li W., Ma W., Qi P., et al. Detection and Evaluation of Weld Defects in Stainless Steel Using Alternating Current Field Measurement // 44th Annual Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation. Vol. 37. AIP Conf. Proc. 1949. 230019-1–230019-7.
7. Koyama K., Hoshikawa H. Basic Study of a New ECT Probe Using Uniform Rotating Direction Eddy Current // Review of Progress Quantitative Nondestructive Evaluation. 1997. V. 16. P. 1067–1074.
8. Koyama K., Hoshikawa H., Kojima G. Eddy Current Nondestructive Testing for Carbon Fiber-Reinforced Composites // Journal of Pressure Vessel Technology. 2013. V. 135, No 4. P. 041501. DOI: 10.1115/1.4023253
9. Hoshikawa H., Koyama K., Maeda M. A New Eddy Current Surface Probe for Short Flaws with Minimal Lift-Off Noise // IP Conference Proceedings, 2003. V. 657. P. 413–418. DOI:10.1063/1.1570165
10. Huang L., Liao C., Song X., et al. Research on Detection Mechanism of Weld Defects of Carbon Steel Plate Based on Orthogonal Axial Eddy Current Probe // Sensors. 2020. V. 20. P. 5515. DOI: 10.3390/s20195515
11. Ditchburn R. J., Burke S. K., Posada M. Eddy-Current Nondestructive Inspection with Thin Spiral Coils: Long Cracks in Steel // Journal Nondestructive Evaluation. 2003. V. 22. P. 63–77. DOI: 10.1023/A:1026340510696
12. Repelianto A. S., Kasai N. The Improvement of Flaw Detection by the Configuration of Uniform Eddy Current Probes // Sensors, 2019. V. 19. P. 397. DOI: 10.3390/s19020397
13. Hosikawa H., Koyama K., Maeda M. Signal Phase Indication of Flaw Depth by a Lift-Off Noise Free Eddy Current Probe // Review of Progress Quantitative Nondestructive Evaluation. 2002. V. 21. P. 430–437. URL: http://dx.doi.org/10.1063/1.1472830
14. Burrows M. L. A Theory of Eddy Current Flaw Detection: Ph.D. Thesis / University of Michigan. Ann Arbor, 1964. 183 p.
15. Bowler J. R. Eddy-Current Interaction with an Ideal Crack I: The Forward Problem // Journal of Applied Physics. 1994. V. 12, No. 8. P. 8128‒8137.
16. Harfield N., Yoshida Y., Bowler J. R. Low-Frequency Perturbation Theory in Eddy-Current Non-Destructive Evaluation // J. Appl. Phys. 1996. V. 80, No 7. P. 4090‒4100.
17. Harfield N., Bowler J. R. Theory of Thin-Skin Eddy-Current Interaction with Surface Cracks // Journal of Applied Physics. 1997. 82. P. 4590-4603.
18. Bowler J. R., Harfield N. Evaluation of Probe Impedance Due to Thin-Skin Eddy-Current Action with Surface Cracks // IEEE Transactions on Magnetics. 1998. V. 34, No. 2. P. 515‒523.
19. Bowler J. R., Harfield N. Thin-Skin Eddy-Current Interaction with Semi-Elliptical Cracks // IEEE Transactions on Magnetics. 2000. V. 36. P. 281‒291.
20. Shkatov P. N. Mathematical Model for Solving Problems of Electromagnetic Flaw Detection // Soviet Journal of Nondestructive Testing. 1988. V. 24, No 1. P. 49‒55.
21. Клюев C. В., Шкатов П. Н. Математическое моделирование воздействия дефектов сплошности на вихретоковые преобразователи // Контроль, диагностика. 2005. № 6. С. 17–21.
22. Sabbagh H. A., Murphy R. K., Sabbagh E. H., et al. Computational Electromagnetics and Model-Based Inversion: A Modern Paradigm for Eddy-Current Nondestructive Evaluation. New York: Springer, 2013. 465 p.
23. Пат. 2796194 РФ. C1, МПК G01N 27/90. Вихретоковый преобразователь для дефектоскопии / П. Н. Шкатов; заявка № 2022130396, заявл. 23.11.2022, опубл. 17.05.2023, Бюл. № 14, 22 с.
1. Shkatov P. N., Didin G. A., Ermolaev A. A., Rodyukov M. S. (2021). Flaw detection of graphite electrodes of electric furnace units. Pribory, 255(9), 11 ‒ 19. [in Russian language]
2. Yang L., Li J., Zheng W., Liu B. (2022). Simulation and Design of a Balanced-Field Electromagnetic Technique Sensor for Crack Detection in Long-Distance Oil and Gas Pipelines. Energies, 15.
3. Zhao S., Shen Y., Sun L. et al. (2022). A Method to Compensate for the Lift off Effect of ACFM in Crack Estimation of Nonferromagnetic Metals. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 554.
4. Raine A., Lugg M. (1999). A Review of the Alternating Current Field Measurement Inspection Technique. Sensors Reviews, 19, 207 – 213. DOI: 10.1108/02602289910279166
5. Klyuev V. V. (Ed.), Fedosenko Yu. K., Shkatov P. N., Efimov A. G. (2014). Eddy current testing: a textbook for training specialists in non-destructive testing and technical diagnostics. 2nd ed. Moscow: ID «Spektr». [in Russian language]
6. Li W., Ma W., Qi P. et al. (1949). Detection and Evaluation of Weld Defects in Stainless Steel Using Alternating Current Field Measurement. 44th Annual Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, 37. AIP Conference Proceedings. 230019-1–230019-7.
7. Koyama K., Hoshikawa H. (1997). Basic Study of a New ECT Probe Using Uniform Rotating Direction Eddy Current. Review of Progress Quantitative Nondestructive Evaluation, 16, 1067–1074.
8. Koyama K., Hoshikawa H., Kojima G. (2013). Eddy Current Nondestructive Testing for Carbon Fiber-Reinforced Composites. Journal of Pressure Vessel Technology, 135(4). DOI: 10.1115/1.4023253
9. Hoshikawa H., Koyama K., Maeda M. (2003). A New Eddy Current Surface Probe for Short Flaws with Minimal Lift-off Noise. IP Conference Proceedings, 657, 413 – 418. DOI: 10.1063/1.1570165
10. Huang L., Liao C., Song X. et al. (2020). Research on Detection Mechanism of Weld Defects of Carbon Steel Plate Based on Orthogonal Axial Eddy Current Probe. Sensors, 20. DOI: 10.3390/s20195515
11. Ditchburn R. J., Burke S. K., Posada M. (2003). Eddy-Current Nondestructive Inspection with Thin Spiral Coils: Long cracks in steel. Journal Nondestructive Evaluation, 22, 63 – 77. DOI: 10.1023/A:1026340510696
12. Repelianto A. S., Kasai N. (2019). The Improvement of Flaw Detection by the Configuration of Uniform Eddy Current Probes. Sensors, 19. DOI: 10.3390/s19020397
13. Hosikawa H., Koyama K., Maeda M. (2002). Signal Phase Indication of Flaw Depth by A Lift-off Noise free Eddy Current Probe. Review of Progress Quantitative Nondestructive Evaluation, 21, 430 – 437. Retrieved from http://dx.doi.org/10.1063/1.1472830
14. Burrows M. L. (1964). A Theory of Eddy Current Flaw Detection: Ph.D. Thesis. University of Michigan. Ann Arbor.
15. Bowler J. R. (1994). Eddy-Current Interaction with an Ideal Crack I: The Forward Problem. Journal of Applied Physics, 12(8), 8128 ‒ 8137.
16. Harfield N., Yoshida Y., Bowler J. R. (1996). Low-Frequency Perturbation Theory in Eddy-Current Non-Destructive Evaluation. Journal of Applied Physics, 80(7), 4090 ‒ 4100.
17. Harfield N., Bowler J. R. (1997). Theory of Thin-Skin Eddy-Current Interaction with Surface Cracks. Journal of Applied Physics, 82, 4590 – 4603.
18. Bowler J. R., Harfield N. (1998). Evaluation of Probe Impedance Due to Thin-Skin Eddy-Current Action with Surface Cracks. IEEE Transactions on Magnetics, 34(2), 515 ‒ 523.
19. Bowler J. R., Harfield N. (2000). Thin-Skin Eddy-Current Interaction with Semi-Elliptical Cracks. IEEE Transactions on Magnetics, 36, 281 ‒ 291.
20. Shkatov P. N. (1988). Mathematical model for solving problems of electromagnetic flaw detection. Soviet Journal of Nondestructive Testing, 24(1), 49 ‒ 55.
21. Klyuev C. V., Shkatov P. N. (2005). Mathematical modeling of the impact of continuity defects on eddy current transducers. Kontrol', diagnostika, (6), 17 – 21. [in Russian language]
22. Sabbagh H. A., Murphy R. K., Sabbagh E. H. et al. (2013). Computational Electromagnetics and Model-Based Inversion: A Modern Paradigm for Eddy-Current Nondestructive Evaluation. New York: Springer.
23. Shkatov P. N. (2023). Eddy current transducer for flaw detection. Ru Patent No. 2796194. Russian Federation. [in Russian language]
Статью можно приобрести в электронном виде (PDF формат).
Стоимость статьи 500 руб. (в том числе НДС 20%). После оформления заказа, в течение нескольких дней, на указанный вами e-mail придут счет и квитанция для оплаты в банке.
После поступления денег на счет издательства, вам будет выслан электронный вариант статьи.
Для заказа скопируйте doi статьи:
10.14489/td.2024.02.pp.015-028
и заполните форму
Отправляя форму вы даете согласие на обработку персональных данных.
.
This article is available in electronic format (PDF).
The cost of a single article is 500 rubles. (including VAT 20%). After you place an order within a few days, you will receive following documents to your specified e-mail: account on payment and receipt to pay in the bank.
After depositing your payment on our bank account we send you file of the article by e-mail.
To order articles please copy the article doi:
10.14489/td.2018.01.pp.003-012
and fill out the form
.
|
Текущий номер
Разработка концепции и создание сайта - ООО «Издательский дом «СПЕКТР»