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Thermische Untersuchung der Risserkennung mittels Wirbelstromthermografie

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WEBINAR
Magnetostriction Modeling of Transformer's Noise
Thursday, December 16, 2021
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SESSION 1
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EST (GMT -4)
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02:00 PM
Gebrauchte Werkzeuge:

Einführung

Zerstörungsfreie Prüftechniken werden üblicherweise in verschiedenen Industrie- und Forschungsbereichen eingesetzt, um die Eigenschaften einer Vielzahl von Materialien zu bewerten, ohne Schäden zu verursachen. Einige der häufig verwendeten Methoden sind die Elektromagnetfeldtechniken. Sie werden zur berührungslosen Inspektion von leitenden Materialien verwendet, um Oberflächen- und Untergrundfehler durch zerstörungsfreie Wirbelstromprüfung zu erkennen und zu charakterisieren. Da diese Technologie als schnell, einfach, kostengünstig und zuverlässig anerkannt ist, ist sie in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie, in der Petrochemie und in der Energieerzeugung weit verbreitet.

Das Prinzip der Wirbelstromtechnik beruht auf der Wechselwirkung zwischen einer Magnetfeldquelle und dem Testmaterial. Ein magnetischer Wechselstrom wird über der getesteten Probe erzeugt, wenn eine oder mehrere Spulen, die einen Wechselstrom führen, darüber angeordnet werden. Das Vorhandensein von Fehlern (Risse, Korrosion, ...) und Materialschwankungen in der Probe wirkt sich auf die Festigkeit und die Strömung der Wirbelströme aus.
Derzeit ist eine der am meisten untersuchten ZfP-Techniken die Infrarot-Thermografie (IR) -Methode, bei der Materialinhomogenitäten oder -defekte durch eine Verzerrung im Temperaturfeld erfasst werden. Zwei Kategorien von Erwärmungstechniken sind für die Erkennung von NDT-Defekten anwendbar: Passive Thermografie, bei der Wärme als externe Quelle auf der Materialoberfläche abgelegt wird und sich dann auf die Wärme stützt, um Risse unter der Oberfläche zu erkennen. Und aktive Thermografie, bei der das Material selbst angeregt wird, indem es durch unterirdische Wirbelströme eine Heizenergie in sich induziert.

Wirbelstrom-Impulsthermografie ECPT

Die Methode der aktiven Infrarot-Thermografie, die auf dem Phänomen der Induktionserwärmung basiert, entwickelt sich aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und Genauigkeit bei der Materialfehlerprüfung für die zerstörungsfreie Prüfung immens. Elektromagnetisch-thermische zerstörungsfreie Inspektion wurde als Alternative zu klassischen Wirbelstrom-NDT-Techniken vorgeschlagen, indem elektromagnetische Erregung, Induktionserwärmung und Inspektion durch transiente Infrarot-Thermografie-Technologie kombiniert wurden. Dieses thermoinduktive Verfahren verwendet induzierte Wirbelströme, um die zu testende Probe zu erwärmen und Defekte durch die Störung der Wärmeverteilung zu erkennen, die von einer Infrarot-IR-Kamera erfasst wird. Die Analyse der Kamerabilder kann Aufschluss über die Fehler im getesteten Material geben. Diese Technik zeichnet sich durch ein breites Anwendungsspektrum, hohe Erkennungsgeschwindigkeit, berührungslose Inspektion usw. aus.
Es treten keine Störungen durch angewendete Heiz- oder Erregungsgeräte auf, da die Änderung der Temperatur der Spule selbst sehr gering ist und das zu prüfende Material kaum beschädigt werden kann, da die Erwärmung auf einige ° C begrenzt ist.

In dieser Studie wurde die Wirksamkeit der ECPT-Technik mit der FEM-Methode numerisch untersucht. Das analysierte Modell besteht aus einer Spiralspule, die um einen U-förmigen Ferritkern gewickelt ist. Beide inspizieren ein defektes Stahlbauteil. Eine schematische Darstellung der ECPT-Technik mit dem untersuchten 3D-Design ist in Abbildung 1 dargestellt.

a) Schematische Darstellung des ECPT [1] b) 3D-Entwurf des untersuchten Modells
Abbildung 1 - a) Schematische Darstellung des ECPT [1] b) 3D-Entwurf des untersuchten Modells

Problembeschreibung

Das Wechselstrommagnetmodul von EMS wird in dieser Analyse in Verbindung mit dem transienten thermischen Löser verwendet, um die Wirbelstrom- und Temperaturverteilung um den Probenriss herum zu berechnen und zu visualisieren. Die Verwendung des ferromagnetischen Kerns wird zu seiner Nützlichkeit als Flusskonzentrator um den Defekt erklärt, um sowohl eine gleichmäßige Induktionserwärmung als auch eine IR-Bildgebung mit offenem Blick für die quantitative Bewertung von Rissen zu erhalten.

Die halbelliptische Rissform ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Die detaillierten Abmessungen der einzelnen Komponenten sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Geometrie der getesteten Platte mit einem halbelliptischen Oberflächenriss
Abbildung 2 - Geometrie der getesteten Platte mit einem halbelliptischen Oberflächenriss [1]
Tabelle 1 - Abmessungen der Komponenten
Teil Maße
Spule Abbiegungen: 3 Hauptdurchmesser: 25 mm Drahtdurchmesser: 6,35 mm
Außenabmessungen des Ferritjochs Länge: 58,5 mm Breite: 43 mm Höhe: 27,5 mm
Innenmaße des Ferritjochs Länge: 56,1 mm Breite: 31 mm Höhe: 27,5 mm
Probe Länge: 130 mm Breite: 65 mm Höhe: 7,5 mm
Halbelliptischer Riss Länge: 12 mm Breite: 0,6 mm Tiefe: 2,4 mm
Spalt zwischen Joch und Probe 1mm
Tabelle 2 - Materialeigenschaften.
Teil Material Dichte
(kg/m au cube )
Magnetische Permeabilität Elektrische Leitfähigkeit
(S/m)
Wärmeleitfähigkeit
(W/mK)
Spezifische Wärmekapazität
(J/Kg.K)
Spule Kupfer (Cu) 8900 0,99 6 E + 07 385 390
Probe Baustahl 7800 200 4,032 E + 6 44,5 475
Joch Ferrit 4900 2300 0,15 Nicht benötigt

Randbedingungen

1-Elektromagnetischer Eingang

Die Kupferinduktivität ist als Vollspule definiert und unterstützt einen Stromeingangsbereich von 55 A eff und eine Frequenz von 155 kHz .

2-thermischer Eingang

Der das Modell umgebende Luftkörper wird bei einer Umgebungstemperatur von 20 ° C und einem auf 5 W/m²C eingestellten Wärmeübergangskoeffizienten mit thermischer Konvektion beaufschlagt .

Gittergewebe

Da Wirbelströme über die Hauttiefe der getesteten Platte verteilt sind, wurde ein feines Netz unter Verwendung der Netzkontrollfunktion von EMS auf die Oberseite der Probe und auf den Riss aufgebracht.

Das vermaschte Modell
Abbildung 3 - Das vermaschte Modell.

Ergebnisse

Nach 500 ms Induktionserwärmung ergab die Simulation die nachstehend gezeigten Ergebnisse. Die Stromdichteverteilung um den Riss auf der Probenoberfläche zeigt eine deutliche Störung der Wirbelströme. Es erreicht sein Maximum um die Endpunkte des erkannten Fehlers. Die Strömungsrichtungen der Ströme ändern sich durch den Riss, was zu einer ungleichmäßigen Erwärmung der Oberfläche führt.

Vektordiagramm der Stromdichteverteilung
Abbildung 4 - Vektordiagramm der Stromdichteverteilung

Die induzierte Temperatur ist in Abbildung 5 dargestellt. Die Temperatur des zentralen Bereichs des U-förmigen Kerns auf der Probe ist nahezu gleichmäßig verteilt. Der Maximalwert ist den Risskonturen gewidmet, die 23,13 ° C erreichen, was mit den Ergebnissen von Referenz [1] gut übereinstimmt.

Temperaturverteilung
Abbildung 5 - Temperaturverteilung

Die Abbildung 6 zeigt den durch den Riss begrenzten erwärmten Luftteil. Die Temperatur an den Endpunkten des Defekts ist viel höher als an den anderen Teilen und nimmt in Tiefenrichtung stark ab. Diese charakteristischen Merkmale werden verwendet, um die Länge des Risses von den beiden Spitzentemperaturpunkten der Kanten vorherzusagen und den Temperaturunterschied zwischen dem Riss und den anderen Teilen zu bestimmen.

Temperaturverteilung über den Riss
Abbildung 6 - Temperaturverteilung über den Riss.

Fazit

In dieser Multiphysics-Analyse wird eine gepulste Induktionsthermographie auf Ferrit-Joch-Basis vorgeschlagen, um eine relativ gleichmäßige Induktionserwärmung in ferromagnetischem Material zu erzeugen und eine IR-Bilderzeugung mit offener Sicht zur Risserkennung zu haben. Die gleichmäßig induzierte Erwärmung wird durch gleichmäßigen Magnetfluss und Wirbelstrom im Bereich zwischen zwei Polen des Ferritjochs erzeugt.
Das allgemeine Verhalten und der physikalische Mechanismus der vorgeschlagenen ECPT-Methode werden durch numerische Simulation mit dem EMS-Tool analysiert und verifiziert. Die multiphysikalischen Wechselwirkungen des elektromagnetisch-thermischen Effekts auf den vorhandenen Riss werden untersucht. Die aufgedeckten Ergebnisse bestätigten die Wirksamkeit von ECPT bei der Untersuchung von Materialoberflächeninhomogenitäten und -fehlern. Diese Technik hat sich als schnelles und einfaches ZfP-Werkzeug bewährt.

Verweise

[1]- He, Min, Laibin Zhang, Wenpei Zheng, and Yijing Feng. "Investigation on a new inducer of pulsed eddy current thermography." AIP Advances 6, no. 9 (2016): 095221.