Статья
| Наименование | Исследование электромагнитных методов диагностики повреждений металлических конструкций на основе анализа импеданса и скин-эффекта | ||||
| Авторы |
|
||||
| Раздел | Машиностроение | ||||
| Год | 2026 | Выпуск | 86 | Страницы | 199 - 219 |
| УДК | 620.179.14.02 | EDN | YWQANS | ||
| Аннотация | В статье обоснована актуальность разработки электромагнитных методов ранней диагностики повреждений металлических конструкций на основе анализа аварийности опасных производственных объектов нефтегазового комплекса. Показано, что значительная часть отказов технологического оборудования связана с накоплением усталостных повреждений, коррозионных дефектов и деградацией структуры металла, что требует развития чувствительных методов неразрушающего контроля. Рассмотрены физические предпосылки применения импедансного подхода, основанного на явлении скин-эффекта и перераспределении плотности переменного тока в проводящем материале при изменении частоты возбуждающего сигнала. Представлено математическое описание влияния электрофизических параметров металла, частоты возбуждения и локальных нарушений сплошности на активную и реактивную составляющие комплексного импеданса. Показано, что изменение удельной электропроводности, магнитной проницаемости и геометрии токовых путей приводит к изменению глубины скин-слоя и характера распределения плотности тока. Выполнено компьютерное моделирование распределения плотности тока и изменения сопротивления проводника при различных частотах и геометрических параметрах в программном комплексе на основе метода конечных элементов. Показано, что анализ частотных зависимостей импеданса позволяет выявлять изменения электрофизических свойств материала, обусловленные накоплением повреждений, развитием микродефектов и структурной деградацией. Предложенный подход может быть использован при разработке интеллектуальных систем мониторинга технического состояния ответственных металлических конструкций. Полученные результаты подтверждают перспективность импедансного метода для задач неразрушающего контроля и служат основой для дальнейшей разработки экспериментально верифицированных средств предиктивной диагностики металлических конструкций. | ||||
| Реферат | Цель. Рассмотреть физические предпосылки применения импедансного подхода, основанного на явлении скин-эффекта и перераспределении плотности переменного тока в проводящем материале при изменении частоты возбуждающего сигнала. Представить математическое описание влияния электрофизических параметров металла, частоты возбуждения и локальных нарушений сплошности на активную и реактивную составляющие комплексного импеданса.
Методика. Для построения модели использовался программный комплекс, выполняющий расчет на основе метода конечных элементов. Задача формулировалась в частотной области при синусоидальном возбуждении, что позволяет непосредственно получать комплексные значения электромагнитных полей и значение импеданса проводника. Металлический образец рассматривался как однородный линейный проводник, по которому протекает переменный ток. Материал проводника — сталь 10; электромагнитные параметры (относительная диэлектрическая проницаемость — ε, относительная магнитная проницаемость — µ, объемная проводимость — γ, тангенсы угла диэлектрических и магнитных потерь) заданы на основе встроенной библиотеки материалов. Возбуждение задавалось в виде переменного электрического тока, протекающего между двумя торцевыми площадками проводника (источник и приемник тока). Для определения комплексного сопротивления была построена матрица, включающая в себя анализ всего объема проводника, что позволило автоматически вычислить активную и реактивную составляющие импеданса при заданных частотах. Расчет выполнялся для трех частот (50 Гц, 50кГц, 50 МГц) и трех геометрий металлического образца в рамках одного проекта с использованием адаптивного уточнения сетки для каждой из них. Результаты. На основе анализа аварийности и математического моделирования обосновано, что импедансный метод с регулируемой частотой переменного тока позволяет выявлять изменение электрофизических свойств металла (роста активного сопротивления и сдвига реактивной составляющей) на стадиях, предшествующих образованию геометрически выраженных дефектов. Компьютерное моделирование для образцов из стали 10 с различной геометрией показало, что уменьшение глубины скин-слоя с 10,32 мм при частоте 50 Гц до 0,05 мм при частоте 50 МГц обеспечивает управляемую чувствительность к поверхностным и подповерхностным повреждениям, при этом максимальный диагностический отклик достигается при глубине дефекта, сопоставимой с толщиной скин-слоя. Полученные частотные зависимости активной и реактивной составляющих импеданса создают основу для перехода от периодического неразрушающего контроля к непрерывному мониторингу и предиктивной диагностике металлических конструкций. Научная новизна. Установлены связи между частотными зависимостями активной и реактивной составляющих комплексного импеданса и ранними стадиями структурной деградации металла (изменением эффективной электропроводности, магнитной проницаемости и перераспределением плотности тока) на основе конечно-элементного моделирования скин-эффекта для типовых сечений металлических конструкций. Практическая значимость. Обоснована возможность перехода от периодического локального неразрушающего контроля к непрерывному мониторингу технического состояния металла с управляемой глубиной сканирования за счет регулировки частоты возбуждающего сигнала, что позволяет выявлять предаварийное состояние конструкций до появления геометрически фиксируемых трещин и интегрировать импедансные измерения в системы предиктивной диагностики и цифровые двойники оборудования. |
||||
| Ключевые слова | металлические конструкции, скин-эффект, вихревые токи, импеданс, неразрушающий контроль, диагностика повреждений. | ||||
| Финансирование | |||||
| Благодарности | |||||
| Список источников |
1. The methodology of the determination of accumulated damage level and achievement of the limit state in ferromagnetic steel structures / I. R. Kuzeev [et al.] // Engineering and Earth Sciences: Applied and Fundamental Research (ISEES 2018): Proceedings of the International Symposium, Grozny. Atlantis Press, 2018. Vol. 177. P. 189–197. EDN ZCMQDJ
2. Аварии на предприятиях нефтегазового комплекса и их возможные причины / Л. Г. Авдеева [и др.] // Экспертиза промышленной безопасности и диагностика опасных производственных объектов. 2015. № 5. С. 39–41. EDN VZALAR
3. Ежегодные отчеты о деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору [Электронный ресурс] // Ростехнадзор: [сайт]. [2026]. URL: http://www.gosnadzor.ru/public/annual_reports/ (дата обращения: 05.02.2026).
4. Бикбулатов Т. Р. Оценка остаточного ресурса оборудования и предельного состояния конструкционных материалов по параметрам электромагнитного отклика: автореф. дис.... канд. техн. наук. Уфа: Печатный домъ, 2011. 24 с.
5. Баширова Э. М. Оценка предельного состояния металла оборудования для переработки углеводородного сырья на основе анализа электромагнитных параметров: автореф. дис.... канд. техн. наук. Уфа: Печатный домъ», 2012. 24 с.
6. Шарипкулова А. Т. Разработка метода оценки предельного состояния металла технологических трубопроводов по параметрам электромагнитного отклика: автореф. дис.... канд. техн. наук. Уфа: ООО СОП «Экспресс», 2013. 24 с.
7. Monitoring growing cracks in aircraft lugs by means of the electro-mechanical impedance method / M. Winklberger, C. Kralovec, P. Heftberger, M. Schagerl // Procedia Structural Integrity. 2022. Vol. 42. P. 578–587. DOI: 10.1016/j.prostr.2022.12.073 EDN BDAUHE
8. Bhalla S., Soh C. K. Structural health monitoring by piezo-impedance transducers. II: Applications // Journal of Aerospace Engineering. 2004. Vol. 17. № 4. P. 162–172. DOI: 10.1061/(ASCE)0893-1321(2004)17:4(162)
9. Xu B., Giurgiutiu V. Damage detection in hollow cylindrical structures using the electromechanical impedance method // Mechanical Systems and Signal Processing. 2015. Vol. 52–53. P. 446–458. DOI: 10.1016/j.ymssp.2014.07.008
10. Alternating Current Field Measurement Technique for Detection and Measurement of Cracks in Structures / X. Yuan [et al.]. Singapore, 2025. 148 p.
11. Определение модуля упругости материалов импедансным методом / А. В. Азин, С. В. Пономарев, С. В. Рикконен, А. В. Васильев // Космические аппараты и технологии. 2025. Т. 9. № 1. С. 5–13. DOI: 10.26732/j.st.2025.1.01 EDN TXJSJC
12. Способы диагностики деформаций пролетных строений мостов / А. С. Баранов, Н. С. Буланкин, А. Р. Ерендеева, М. С. Ишмухаметов // Известия Уфимского научного центра РАН. 2025. № 3. С. 10–14. DOI: 10.31040/2222-8349-2025-0-3-10-14 EDN AFKHGF
13. Приборы акустического импедансного контроля элементов конструкции воздушного судна с сотовым заполнителем / И. М. Теус [и др.] // Междисциплинарность науки как фактор инновационного развития: сборник статей Международной научно-практической конференции. Уфа: Аэтерна, 2025. С. 12–18. EDN EOXAVL
14. Громыко И. Л., Галушко В. Н. Метод неразрушающего контроля состояния однофазных и трёхфазных трансформаторов на основе частотных характеристик // Приборы и методы измерений. 2025. Т. 16. № 2. С. 158–167. DOI: 10.21122/2220-9506-2025-16-2-158-167 EDN EHCAMZ
15. Mahmoudi N., Samimi M. H., Mohseni H. Experiences with transformer diagnosis by DGA: case studies // IET Generation, Transmission & Distribution. 2019. Vol. 13. № 23. P. 5431–5439. DOI: 10.1049/iet-gtd.2019.1056
16. Behjat V., Mahvi M., Rahimpour E. A new statistical approach to interpret power transformer frequency response analysis: Nonparametric statistical methods // 2015 30th International Power System Conference (PSC), Tehran, Iran. IEEE, 2015. Р. 142–148. DOI: 10.1109/IPSC.2015.7827740
17. Evaluation of numerical indices for the assessment of transformer frequency response / M. H. Samimi, S. Tenbohlen, A. A. S.Akmal, H. Mohse ni // IET Generation, Transmission & Distribution. 2017. Vol. 11. № 1. P. 218–227. DOI: 10.1049/iet-gtd.2016.0879
18. ГОСТ Р 53698-2009. Контроль неразрушающий. Методы тепловые. Термины и определения. М.: Стандартинформ, 2010. 12 с.
19. Бобров А. Л., Власов К. В., Лесных Е. В. Основы вихретокового неразрушающего контроля: учеб. пособие. Новосибирск: Изд-во СГУПС, 2022. 123 с.
20. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники: учебник для студентов энергетических и электротехнических вузов. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. школа, 1973. 752 с.
21. Евдокимов Ю. К., Фадеева Л. Ю. Метод и алгоритм радиочастотного зондирования неоднородных электропроводящих структур // Вестник ИжГТУ имени М. Т. Калашникова. 2023. Т. 26. № 2. С. 94–102. DOI: 10.22213/2413-1172-2023-2-94-102 EDN NLHPMI
22. Lakhdari A. E., Cheriet A., El Ghoul I. Skin Effect Based Technique in ECNDT for Thickness Measurement of Conductive Material // IET Science, Measurement & Technology. 2019. Vol. 12. № 2. P. 255–259. DOI: 10.1049/iet-smt.2018.5322
23. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: учеб. пособие. для вузов. В 10 т. Т. 8: Электродинамика сплошных сред. 4-е изд., стер. М.: Физматлит, 2005. 656 с.
24. Patel U. R., Gustavsen B., Triverio P. An equivalent surface current approach for the computation of the series impedance of power cables with inclusion of skin and proximity effects // IEEE Transactions on Power Delivery. 2013. Vol. 28. № 4. P. 2474–2482. DOI: 10.1109/TPWRD.2013.2267098
25. Patel U. R., Gustavsen B., Triverio P. Fast computation of the series impedance of power cables with inclusion of skin and proximity effects // IEEE Transactions on Power Delivery. 2014. Vol. 29. № 5. P. 2101–2109.
26. A complete surface integral method for broadband modeling of 3D interconnects in stratified media / S. Sharma, U. R. Patel, S. V. Hum, P. Triverio // IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology. 2019. Vol. 9. № 10. P. 1911–1922.
27. An equivalent-effect phenomenon in eddy current non-destructive testing of thin structures / J. Tang [et al.] // IEEE Access. 2019. Vol. 7. Pp. 70296–70307. DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2916980
28. Silvério E. T., Macedo Junior J. R. Measuring and modeling the skin effect for harmonic power flow studies // Energies. 2023. Vol. 16. Art. 7913. DOI: 10.3390/en16237913 EDN NSMVRP
29. Lakhdari A. E., Cheriet A., El-Ghoul I. Skin effect-based technique in eddy current non-destructive testing for thickness measurement of conductive material // IET Science, Measurement & Technology. 2019. Vol. 13. № 4. P. 528–534. DOI: 10.1049/iet-smt.2018.5322
30. Применение специализированного программного обеспечения для расчета распределения магнитного поля в витках обмотки статора вентильно-индукторных электродвигателей / В. В. Сироткин, Д. А. Пигалев, И. В. Больших, С. С. Черняев // Инновационные транспортные системы и технологии, 2022. № 4. C. 58–73. DOI: 10.17816/transsyst20228458-73 EDN RFMZKH
31. Blitz J. Electrical and Magnetic Methods of Non-Destructive Testing. Springer, 1997. 242 p. DOI: 10.1007/978-94-011-5818-3
|
||||
| Полный текст |
|
||||