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

Abstract

The eddy current testing (ECT) is a common electromagnetic method for the inspection of structures comprising non-ferromagnetic materials, such as aluminum copper and nickel alloys. Regarding, however, ferromagnetic materials, a major issue in the application of ECT occurs due to the large and non-linear magnetic permeability values. Such a magnetic permeability behavior has an effect on the eddy current signal: it produces a noisy signal, with an amplitude that is similar to the discontinuities’ one. The use of a DC external magnetic field drives the material into magnetic saturation and has a mitigating effect: For high magnetic fields, the material behaves almost like non-ferromagnetic. A thorough study, both experimental and theoretical, is performed on the effect of such an external field on the inspectability of a ferromagnetic tube with axisymmetric grooves that simulate wall loss defects. It is shown that for high magnetic field values that drive the inspected specimen into magnetic saturation, the well known phase analysis technique can be used for the defects’ depth characterization.In general, simulation can be used instead of experiment for difficult geometries and for cases in which the experimental process is not easy. Nevertheless, the utilization of finite element method (FEM) software for the non-linear simulation remains a challenge (the lack of pertinent scientific literature is more than evident). It has been shown that the successful use of a commercial FEM software for such non-linear simulation makes it possible to compare the experimental results with the simulation ones. The results from this comparison are generally very good.Finally, a hybrid analytical solution for defect detection that combines an analytical thin-skin model with the FEM simulation is presented. In this combination, the FEM simulation magnetic field results can be used in the coil impedance equation of the analytical model. The hybrid solution’s benefit is obtaining results faster than the entire simulation using FEM analysis for the ECT inspection. Moreover, the use of the hybrid solution makes it possible to simulate geometries that are not easy to solve with purely analytical techniques.

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.