СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2015 года по МПК G01N25/72 

Область техники

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оценки надежности конструкций из электропроводных полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе контроля распределения электрических потенциалов по поверхности.

Изобретение может быть использовано для контроля надежности сложных пространственных конструкций из ПКМ как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации: пространственных сетчатых конструкций, отсеков космических аппаратов, ракетных двигателей и их элементов, трубопроводов, герметичных сосудов и т.п.

Особенно эффективно применение заявленного изобретения при испытании потенциально опасных и дорогих в изготовлении конструкций, к которым, с одной стороны, предъявляются высокие требования по надежности эксплуатации, а с другой стороны, они являются достаточно дорогими и трудоемкими в изготовлении для того, чтобы большое количество конструкций можно было испытать методами разрушающего контроля, т.е. разрушить.

При этом требуется определить потенциально опасные места (узлы конструкции), которые в первую очередь могут разрушиться (вследствие наличия дефектов, пониженной прочности или других причин) при нагрузках, что может привести к аварии, и которые возможно необходимо укреплять.

Уровень техники

Перспективным направлением в современной технике является использование полимерных композиционных материалов, обладающих рядом преимуществ перед традиционными материалами - металлами, особенно в авиакосмических отраслях техники, машиностроении, энергетики и др. Такие материалы требуют особого подхода, новых решений при разработке и создании методов и средств оценки надежности их эксплуатации. Это вызвано большим разнообразием видов таких материалов, специфическими особенностями конструкций из них и технологией изготовления, случайным изменением физико-механических и прочностных характеристик, большим разнообразием типов дефектов, возникающих в процессе изготовления.

Кроме того, эти материалы в большинстве отраслей промышленности работают в условиях статических и динамических нагрузок.

Повысить качество конструкций невозможно без достоверной оценки критериев качества. Соответственно невозможна разработка мероприятий и технологий по повышению качества конструкций. Одним из признаков качества конструкций является наличие дефектов типа нарушения сплошности или локальных пространственных участков с отличными характеристиками, которые, как правило, образуются в местах пониженной прочности, либо в материале, имеющем нарушения сплошности.

Учитывая, что такие конструкции являются достаточно дорогими как в стоимостном выражении, так и в трудоемкости изготовления, необходимо с одной стороны каждую конструкцию подвергать испытанию на предмет соответствия ее прочностных характеристик требуемым, а с другой стороны, эти испытания должны минимально «травмировать» конструкцию при максимальной информативности результатов испытаний.

Износ основных фондов и технического оборудования, снижение качества материала и другие подобные причины приводят к снижению надежности эксплуатации конструкций из ПКМ.

Например, усталость ПКМ, особенности технологии их изготовления и т.п. приводят к возникновению остаточных внутренних напряжений, которые приводят к нарушению сплошности и, в конечном итоге, - к разрушению материала и конструкции. Это явление широко описано в литературе. В последнее время принят ряд программ, направленных на исправление ситуации: модернизация производств, повышение качества материалов и др. Однако полное решение данных задач в настоящее время затруднено по ряду, в т.ч. финансовых, причин.

В этой связи большое значение приобретают неразрушающие методы контроля и диагностики таких конструкций. Они позволяют объективно определять фактическое состояние конструкции, оценить надежность их эксплуатации и дать рекомендации по ее ремонту или восстановлению.

Одним из перспективных методов контроля электропроводных полимерных композиционных материалов (ЭПКМ) является метод электрических потенциалов. Он основан на создании в исследуемом материале электрического поля и измерении потенциала этого поля в различных точках поверхности материала изделия. Изменение величины электрического потенциала является признаком наличия аномалии в материале, в т.ч. наличия дефекта типа нарушения сплошности.

Выявление нарушений сплошности (например, расслоений) в пластинах и оболочках требует создания поля электрического тока, чувствительного к таким дефектам. Для этого вектор плотности тока должен быть направлен вдоль нормали.

Питающие электроды, создающие такое поле, необходимо размещать на противоположных поверхностях пластины (оболочки). При этом ток, протекающий вдоль нормали, встречает препятствие (расслоение), вызывающее уменьшение силы тока при одинаковом напряжении на питающих электродах или уменьшение падения напряжения при стабилизированном токе, т.е. наличие дефекта изменяет электрическое сопротивление контролируемого объекта.

Такое расположение питающих электродов имеет способ дефектоскопии, используемый в аналоге, - методе электроразведки, в геофизике (Шеметов В.А. Моделирование кусочно-неоднородного массива горных пород применительно к задачам электроразведки при помощи метода конечных элементов // Издательство СО РАН НИЦ ОИГГМ СО РАН. Новосибирск: 1998. - Т. 39. - Геология и геофизика. - №. 2. - С. 250-259).

Аналогичное расположение электродов используется в способе, описанном в источнике Бобичев А.А., Модин И.Н. Электротомография со стандартными электроразведочными комплексами // Разведка и охрана недр, 2008, №1, с. 43-47.

При таком расположении питающих электродов, когда расстояние между ними равно толщине контролируемой пластины (оболочки), это приводит к локальному характеру поля, создаваемого источниками тока.

Потенциал такого поля на удалении от источника, соизмеримом с толщиной, стремится к нулю. Это не позволяет обнаруживать аномалии потенциала, вызванные дефектами, которые находятся на большем расстоянии от питающих электродов.

Следовательно, становится невозможным обнаружение дефектов по аномалии распределения потенциала при фиксированном положении питающих электродов, как описано в способе, принятом в качестве ближайшего аналога - Электроразведка методом сопротивления / Под. Ред. В.К. Хмелевского и А.И. Шевника: Учебное пособие. - М.: Изд-во МГУ, 1994 г., 160 с.: ил. ISBN 5-211-03303-5.

Непосредственное измерение сопротивления тонкой пластины из композиционного материала с помощью этого способа вызывает следующие сложности:

1) При больших размерах электродов затруднительно обеспечить равномерный электрический контакт источника тока с поверхностью композиционного материала. Неидеальный контакт приводит к значительным искажениям поля электрического тока и вызывает высокую погрешность измерения сопротивления.

2) При малых размерах электродов устраняется отмеченный недостаток, но возникает неопределенность разности потенциалов электродов, которая увеличивается при уменьшении площади контакта и теоретически равна бесконечности для точечных источников тока.

Площадь контакта, в свою очередь, зависит от многих факторов (форма электрода, усилие прижима, состояние поверхности и т.д.), постоянство которых не может быть обеспечено. Тем самым измеренная величина сопротивления содержит неустранимую неопределенность, зависящую от условий контакта в каждом конкретном измерении.

Поэтому на сегодняшний день имеется потребность в создании способа достоверной диагностики технического состояния реальных конструкций из ЭПКМ, который может применяться на практике для широкого круга объектов с использованием простого и точного оборудования.

Изобретение направлено на решение задачи обеспечения оперативного контроля технического состояния сложных конструкций и их элементов из ЭПКМ в процессе производства и в реальных условиях эксплуатации, в т.ч. в условиях нагрузки, определении дефектных участков (участков, не соответствующих нормативным документам), разработке рекомендаций для устранения дефектов или восстановления конструкции. Т.е. в конечном итоге изобретение направлено на повышение безопасности эксплуатации сложных потенциально опасных конструкций.

Сущность изобретения

Технический результат, получаемый при использовании изобретения, состоит в повышении достоверности определения состояния объектов из электропроводных полимерных композиционных материалов.

Технический результат достигается за счет, что в способе контроля объектов из электропроводных полимерных композиционных материалов, включающем

- установку и фиксацию питающих электродов с противоположных или с одной стороны контролируемого объекта,

- установку двух измерительных электродов на одной или двух поверхностях контролируемого объекта,

- одновременное измерение разности потенциалов между измерительными электродами и силы тока между питающими электродами,

- определение кажущегося электрического сопротивления между измерительными электродами путем деления разности потенциалов на величину тока между питающими электродами,

- определение дефектов в материале по величине кажущегося электрического сопротивления,

дополнительно выполняют следующие операции:

- жестко фиксируют между собой питающие и измерительные электроды,

- перемещают комплекс зафиксированных между собой питающих и измерительных электродов по поверхности контролируемого объекта,

- измерение разности потенциалов между измерительными электродами и силы тока между питающими электродами повторяют многократно для определения дефектов в материале всего объекта.

Технический результат усиливается за счет того, что операцию перемещения комплекса зафиксированных между собой питающих и измерительных электродов по поверхности контролируемого объекта осуществляется с шагом не более размера минимального выявляемого дефекта.

Технический результат усиливается также за счет того, что в качестве измерительного прибора используют прибор с большим входным сопротивлением, например вольтметр.

Краткое описание фигур чертежей

Сущность изобретения и возможность достижения технического результата будут более понятны из последующего описания со ссылками на позиции чертежей, где на:

фиг. 1 приведена фотография фрагмента исследуемого изделия - часть усеченного конуса из углеродного композиционного материала,

фиг. 2 приведена схема размещения электродов,

фиг. 3 приведена фотография установки контроля,

фиг. 4 приведена фотография процесса контроля,

фиг. 5 приведены результаты контроля - эпюры кажущегося сопротивления,

фиг. 6 приведено распределение кажущегося сопротивления вдоль образующих левой кромки,

фиг. 7 приведено распределение кажущегося сопротивления вдоль образующих правой кромки,

фиг. 8 приведено распределение кажущегося сопротивления вдоль окружностей,

фиг. 9 приведено поле кажущихся сопротивлений в изделии (развертка),

фиг. 10 приведена дефектограмма изделия в виде линий уровня кажущихся сопротивлений (мОм),

фиг. 11 приведена гистограмма распределения кажущегося сопротивления (по интервалам).

На приведенных фигурах приняты следующие обозначения:

x, y, z - координаты взаимного расположения электродов,

V - разность потенциалов,

J⁺, J^- - потенциалы питающих электродов,

d_h - расстояние от большего основания изделия до точки регистрации информации,

h - расстояние между основаниями, измеренное по меридиану,

d_r - расстоянием по окружности от левой кромки до точки измерения информации,

L_i - длина дуги нижнего основания конуса,

1-4 - электроды,

5 - узел электродов в сборе (измерительная система),

6 - регистратор силы тока,

7 - регистратор уровня потенциалов,

8 - блок питания,

9 - исследуемое изделие,

10-14 - дефектные области, выявленные ультразвуковым методом,

15 - область аномального электрического сопротивления, выявленная в эксперименте и не показанная ультразвуковым методом,

16 - график при d_r/L=0,05; 3 - при

17 - график при d_r/L=0,09,

18 - график при d_r/L=0,13,

19 - график при d_r/L=0,96,

20 - график при d_r/L=0,92,

21 - график при d_r/L=0, 87,

22 - график при d_h/h=0,17,

23 - график при d_h/h=0,9.

Способ осуществляют следующим образом.

В процессе контроля на изделие устанавливается блок электродов (5). Питающие электроды (1, 2), создающие электрическое поле в изделии, устанавливаются на одной или противоположных сторонах контролируемого изделия (9). Информационные электроды (3, 4) - на одной из поверхностей изделия (9). Далее электроды перемещают по изделию. Измеряют разность потенциалов между электродами и, зная величину тока, определяют кажущееся сопротивление электрическому току. По величине кажущегося сопротивления судят о внутренней структуре материала, в т.ч. о наличие внутренних дефектов типа нарушения сплоршности.

Обоснование предложенного способа проводилось теоретическим способом и экспериментально.

Распределение электрического потенциала на поверхности исследуемого объекта при пропускании через него постоянного тока может быть рассчитано путем решения задачи электропроводности [1].

Теоретическое распределение потенциалов было получено путем решения задачи электропроводности для постоянного тока:

где U(x,y,z) - потенциал; j_x, j_y, j_z - координаты вектора плотности тока j; l_x, l_y, l_z - направляющие косинусы внешней нормали к граничной поверхности; j_n - заданная плотность тока через граничную поверхность.

Для замыкания системы уравнений (1) в случае пространственного армирования следует использовать связь между плотностью тока и градиентом потенциала для общего случая анизотропной среды [2, 3]

Здесь E_ij - коэффициенты тензора проводимости анизотропной среды.

Плотность тока на границе всюду равна нулю, кроме точек, где расположены электроды. В этих точках правая часть (1) равна произведению силы тока на дельта-функцию Дирака. Для однозначной разрешимости значение потенциала в одной точке задано равным нулю.

Задача решается в слабой постановке методом конечных элементов. Решение и на области V (т.е. в объеме исследуемой конструкции) ищем в пространстве L₂(V) как удовлетворяющее интегральному тождеству

для всех , где ; E - тензор электропроводности; I_i - сила тока источника, сосредоточенного в точке xⁱ; δ(x-xⁱ) - дельта-функция Дирака.

Однозначная разрешимость краевой задачи в слабой постановке (3), возможность применения метода конечных элементов и оценка погрешности решения при аппроксимации дельта-функции сплайнами показана в [4].

Теоретические результаты показывают, что разность потенциалов в точках поверхности пропорциональна силе тока и зависит от среднего удельного сопротивления среды. Таким образом, отношение измеренной разности потенциалов к силе тока (кажущееся сопротивление) при фиксированном расположении электродов зависит только от свойств материала и геометрии оболочки.

Для однородного материала получены теоретические распределения потенциала, которые позволяют найти отношение разности потенциалов в двух фиксированных точках к силе тока, пропускаемого через оболочку из однородного материала (нормальное поле).

Отклонения фактически измеренной разности потенциалов от этой теоретической величины характеризуют аномалию удельной электропроводности и является информационным признаком наличия в контролируемом материала нарушений сплошности или инородных включений.

Проведенные исследования показали, что использование постоянного тока для решения задач неразрушающего контроля имеет недостатки, связанные с влиянием на результаты наведенной поляризации на непроводящих включениях и расслоениях.

Поэтому более перспективным является неразрушающий контроль на основе анализа полей, вызванных пропусканием через исследуемый объект низкочастотного переменного тока. Так, при использовании переменного тока промышленной частоты (50 Гц) отсутствуют эффекты накопления электрических зарядов; в то же время при такой частоте пренебрежимо мал скин-эффект.

Исходя из этих соображений и приведенных результатов теоретических исследований, при проведении экспериментальных исследований использовалось поле переменного тока частоты 50 Гц при силе тока - 5,3 А.

Экспериментальные исследования проводились следующим образом.

В качестве объекта исследований выбрана типовая тонкостенная оболочка из электропроводного материала - углеродного композиционного материала, имеющая внутренние расслоения (дефекты). Оболочка имеет форму сектора, вырезанного из усеченного конуса и ограниченного двумя меридиональными сечениями (фиг. 1). Толщина оболочки переменна вдоль меридиана и постоянна по окружности. Теоретически рассчитанные нормальные поля кажущихся сопротивлений являются постоянными вдоль окружности за исключением зон, примыкающих к кромкам, шириной порядка 5-7 толщины оболочки. Измерения в этих зонах не производились.

На фиг. 2 показана схема размещения электродов на контролируемом изделии. Ток подводится к электродам 1 и 2, размещенным в точках на противоположных поверхностях оболочки (на одной нормали). В процессе эксперимента измерялась разность потенциалов в точках 3 и 4, удаленных от электрода 1 на расстояние z (=15 мм) вдоль меридиана и x (=50 мм) вдоль окружности.

На фиг. 3 приведена фотография экспериментального образца установки контроля.

При проведении измерений электроды 1-4 последовательно устанавливались в различных точках оболочки так, чтобы оставались неизменными расстояния между электродами и их ориентация относительно меридиана. Положение питающих электродов 1 и 2 будем характеризовать двумя относительными координатами: по меридиану - отношением расстояния d_h (от большего основания до точки) к расстоянию между основаниями h, измеренному по меридиану; по окружности - расстоянием d_r от левой кромки до точки, отнесенным к длине дуги L_i. Измерения проводились на шести линиях меридионального направления и двух дугах окружностей (фиг. 5). На этой же фигуре приведены полученные профили кажущегося сопротивления. Пунктиром показаны границы дефектов сплошности, предварительно выявленные методом ультразвуковой дефектоскопии.

Для более подробного анализа рассмотрим графики кажущегося сопротивления по каждой линии в отдельности. На фиг. 6 и фиг. 7 изображены зависимости кажущегося сопротивления от координаты по образующей питающего электрода. Замеры проводились на расстоянии d_r/L=0,05; 0,09; 0,13; 0,87; 0,92 и 0,96 от левого края конструкции, где L -длина дуги нижнего основания части усеченного конуса (фиг. 6, фиг. 7).

Фиг. 8 - Распределение кажущегося сопротивления вдоль окружностей: кривая 1 - при d_h/h=0,17; 2 - при d_h/h=0,9.

Проведем анализ возможности обнаружения дефектов в автоматическом режиме, т.е. возможности определения порогового сигнала безэталонным методом.

Для наглядности и идентификации полученных результатов пространственное распределение поля кажущихся сопротивлений приведены на фиг. 9.

Как показали статистические исследования, значение электрического сопротивления, соответствующее качественному материалу, составляет 0,49±0,13 мОм.

На фиг. 9 ясно видны участки изделия, соответствующие дефектам - превышение электрического сопротивления в 2-25 раз.

Дефектограмма изделия (развертка с нанесенными дефектами) в виде линий уровня кажущегося сопротивления приведена на фиг. 10.

Фиг. 10 - Дефектограмма изделия в виде линий уровня кажущихся сопротивлений (мОм)

Для разработки методики автоматизированного неразрушающего контроля рассматриваемым методом проведен гистограммный анализ полученных данных на предмет автоматического достоверного разделения кластеров данных, соответствующих дефектным и качественным областям изделия.

На фиг. 11 приведена гистограмма частот кажущегося сопротивления. Границы интервалов приведены в табл. 1.

Анализ показал, что выборка неоднородна и может быть разделена на две части - фоновую и аномальную. Основная часть объема выборки (376 точек из 400) попадает в границы от 0,4 до 0,65 мОм. Между 0,65 и 0,75 мОм не содержится ни одного значения, что позволяет достоверно отделить качественную область (фоновый уровень) от дефектной. Это можно осуществить автоматически на основе методов кластерного анализа, например, приведенного в [5].

Как видно из приведенных рисунков и графиков, результаты экспериментального исследования предлагаемого метода достаточно хорошо совпали по критериям - количество выявленных дефектов, их площадей и координат расположения по поверхности, рассчитанных по методике, изложенной в [5], с результатами автоматизированной ультразвуковой дефектоскопии [6]. Кажущееся сопротивление в зонах обнаруженных дефектов сплошности значительно (20-700%) превышает фоновое значение. Так, например, кажущееся сопротивление в области 1 на рис. 2 превышает фоновое значение, но величина превышения меняется в пределах 20-125%. В области 2 наблюдается отклонение кажущегося сопротивления на 200-700% от фонового. Это указывает на наличие зависимости кажущегося сопротивления от величины раскрытия дефектов по площади. Наличие аномального значения кажущегося сопротивления наблюдается в районе области 6, в которой не было зафиксировано аномалий при ультразвуковом контроле. Предположительно, такой эффект появился вследствие изменения ориентации волокон материала в этой области изделия.

Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования показали эффективность предлагаемого способа неразрушающего контроля при контроле электропроводных конструкций из ПКМ.

Результаты исследований и сравнение результатов экспериментальных исследований со способом контроля, принятым в качестве ближайшего аналога, приведены в таблице 1.

Представленный способ имеет следующие преимущества:

- обеспечивает оперативный мобильный контроль конструкций больших габаритов и пространственно ориентированных;

- позволяет снизить погрешность локализации дефектных областей, ориентировочно, в два раза,

- позволяет повысить надежность эксплуатации контролируемых конструкций (особенно работающих на пределе остаточного ресурса),

- позволяет снизить вероятность аварий за счет определения реальных технических характеристик конструкций.

Все используемые электронные блоки построены на основе стандартных измерительных систем электрических устройств (вольтметр, амперметр, трансформатор), следовательно способ является промышленно применимым.

Список использованной литературы

1. Бурнышева Т.В., Каледин В.О., Крюкова Я.С. Эффективные коэффициенты электропроводности кусочно-однородной среды // Научно-технический вестник Поволжья. - 2013. - №2. - С. 146-149.

2. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. - М.: Мир, 1975. - 541 с.

3. Оден Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред. М.: Мир, 1976, 464 с.

4. Шеметов В.А. Моделирование кусочно-неоднородного массива горных пород применительно к задачам электроразведки при помощи метода конечных элементов // Издательство СО РАН НИЦ ОИГГМ СО РАН. Новосибирск: 1998. - Т. 39. - Геология и геофизика. - №. 2. - С. 250-259.

5. Будадин О.Н., Потапов А.И., Колганов В.И. и др. Тепловой неразрушающий контроль изделий. - М.: Наука, 2002, 476 с.

6. Юхацкова О.В., Соболь Л.А., Антипов Ю.В., Сычугов С.Н. Акустический односторонний контроль сложных многослойных конструкций из ПКМ. - 33 ежегодная международная научно-практическая конференция и блиц-выставка «Композиционные материалы в промышленности» (Славполиком), Ялта, Крым, 30.05-05.06.2013 г., с. 339-342.

Использование: для оценки надежности конструкции из электропроводных полимерных композиционных материалов на основе контроля распределения электрических потенциалов по поверхности. Сущность изобретения заключается в том, что способ контроля объектов из электропроводных полимерных композиционных включает: установку и фиксацию питающих электродов с противоположных или с одной стороны контролируемого объекта, установку двух измерительных электродов на одной или двух поверхностях контролируемого объекта, одновременное измерение разности потенциалов между измерительными электродами и силы тока между питающими электродами, определение кажущегося электрического сопротивления между измерительными электродами путем деления разности потенциалов на величину тока между питающими электродами, определение дефектов в материале по величине кажущегося электрического сопротивления, жестко фиксируют между собой питающие и измерительные электроды, перемещают комплекс зафиксированных между собой питающих и измерительных электродов по поверхности контролируемого объекта, измерение разности потенциалов между измерительными электродами и силы тока между питающими электродами повторяют многократно для определения дефектов в материале всего объекта. Технический результат: обеспечение возможности повышения достоверности определения состояния объектов из электропроводных полимерных композиционных материалов. 2 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ контроля объектов из электропроводных полимерных композиционных материалов, включающий
- установку и фиксацию питающих электродов с противоположных или с одной стороны контролируемого объекта,
- установку двух измерительных электродов на одной или двух поверхностях контролируемого объекта,
- одновременное измерение разности потенциалов между измерительными электродами и силы тока между питающими электродами,
- определение кажущегося электрического сопротивления между измерительными электродами путем деления разности потенциалов на величину тока между питающими электродами,
- определение дефектов в материале по величине кажущегося электрического сопротивления, отличающийся тем, что
дополнительно выполняют следующие операции:
- жестко фиксируют между собой питающие и измерительные электроды,
перемещают комплекс зафиксированных между собой питающих и измерительных электродов по поверхности контролируемого объекта,
- измерение разности потенциалов между измерительными электродами и силы тока между питающими электродами повторяют многократно для определения дефектов в материале всего объекта.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что операцию перемещения комплекса зафиксированных между собой питающих и измерительных электродов по поверхности контролируемого объекта осуществляется с шагом не более размера минимального выявляемого дефекта.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве измерительного прибора используют прибор с большим входным сопротивлением, например вольтметр.