Магнитометрический метод неразрушающего контроля металлоконструкций

К пассивным методам НК, использующим измерения собственных физических полей конструкций, прежде всего, следует отнести:

- метод акустической эмиссии (АЭ);

- метод магнитной памяти металла (МПМ).

Эти два метода получили в настоящее время наибольшее распространение на практике для ранней диагностики повреждений оборудования и конструкций. Кроме того, именно эти два метода позволяют в настоящее время обеспечить 100% обследование оборудования в режиме экспресс-контроля.

Как показала практика, метод МПМ по сравнению с методом АЭ дополнительно дает информацию о фактическом НДС объекта контроля, что позволяет более объективно определить не только ЗКН, но и причину образования этой зоны. При этом никаких подготовительных работ для применения метода МПМ на объекте контроля не требуется.

3.2 Контроль напряженно-деформированного состояния объектов промышленности и транспорта

ГОСТ Р 53966-2010 [6] устанавливает общие требования к применению методов и средств неразрушающего контроля напряженно-деформированного состояния объектов промышленности и транспорта. Распространяется на изделия и оборудование, изготовленные из стали и сплавов, чугуна и других конструкционных материалов без ограничения размеров и толщин, включая сварные соединения.

Контроль напряженно-деформированного состояния (НДС) металла конструкций объекта контроля (ОК) включает следующее:

- выявление зон концентраций напряжений (ЗКН) и определение их границ;

- определение степени концентрации и характер внутренних механических напряжений в ЗКН с количественной ее оценкой;

- оценку распределения полей внутренних механических напряжений.

- сопоставление результатов контроля НДС с расчетными и предельными значениями параметров НДС исследуемого материала;

- оценку кинетики развития ЗКН (при периодическом контроле).

Физические методы неразрушающего контроля (НК) и реализующие их средства не должны влиять на значения и характер распределения внутренних (собственных и рабочих) механических напряжений в исследуемом металле ОК, сложившиеся в процессе его изготовления или эксплуатации.

При необходимости использования нескольких разных физических методов НК последовательность (очередность) их применения устанавливается таким образом, чтобы исключить возможность ухудшения условий применимости следующего метода за счет внесения дополнительных помех, связанных с остаточными явлениями от воздействия физических полей, используемых для диагностики предыдущим методом.

Требования к контролируемому объекту:

- при контроле НДС оборудование и конструкции могут находиться как в рабочем состоянии (под нагрузкой), так и при их остановке (после снятия рабочей нагрузки);

- зачистка и подготовка поверхности на ОК выполняется в соответствии с методикой контроля;

- температурный диапазон, влажность и другие внешние факторы, влияющие на работоспособность оператора и надежность работы ОК и инструментальных средств, регламентируются соответствующим нормативным документом по безопасности проведения работ на ОК используемыми средствами контроля.

Подготовка к контролю должна состоят из:

- определения марок сталей и типоразмеров узлов (ОК);

- анализа режимов работы ОК и причин отказов (повреждений);

- выявления конструктивных особенностей узлов, мест расположения сварных соединений (основных заводских, монтажных и ремонтных);

- составления карты (формуляра) ОК;

- деления карты ОК на участки с указанием их очередности при проведении контроля, определяемой выявленными конструктивными и эксплуатационными особенностями ОК;

- подготовки средств НК в соответствии с инструкцией по эксплуатации и выбранным методом контроля.

Проведение контроля НДС ОК осуществляется в соответствии с инструкцией по применению прибора.

При выполнении контроля необходимо непосредственно на ОК мелом или краской отметить ЗКН и нанести эти зоны на формуляр.

Оформление результатов контроля:

При завершении контроля оформляют протокол, содержащий:

- наименование узлов и номера участков, на которых выявлены ЗКН и зоны с экстремальным по результатам контроля значениями измеряемых параметров НДС:

- описание визуальных наблюдений;

- наработку ОК с начала эксплуатации;

- тип прибора и вид физического поля, используемого при контроле;

- выводы по результатам контроля;

- дату контроля, фамилию и подпись специалиста, выполнявшего контроль.

2) К протоколу прикладывают формуляр ОК с обозначением на нем зон контроля и выявленных ЗКН.

3) По результатам контроля составляют заключение с анализом результатов и выводами.

4) Результаты контроля в виде заключения следует сохранять до следующего обследования ОК.

3.3 Магнитные методы контроля напряженно-деформированного состояния

В последние годы большой интерес проявляется к косвенным магнитным методам контроля НДС стальных конструкций, которые основаны на тесной корреляции магнитных и механических параметров металлов. Разработанные методы и технические средства измерения механических напряжений металла по магнитным диагностическим параметрам обладают рядом преимуществ, важных для ранней диагностики напряженно-деформированного состояния элементов конструкций трубопроводов (труб, тройников, сварных соединений и т.д.). Это неразрушающее действие операции контроля, достаточно высокая производительность контроля в полевых условиях, возможность дистанционного контроля с мониторингом напряженно-деформированного состояния объекта в процессе эксплуатации.

Между тем, в настоящее время отсутствуют соответствующие технологические решения и регламенты магнитного контроля напряженно- деформированного состояния металла и методика расчетной оценки работоспособности потенциально опасных участков по магнитным диагностическим параметрам.

В ряде случаев контроль напряженно-деформированного состояния элементов конструкций трубопроводов производится с применением технических средств для регистрации магнитных шумов, магнитной анизотропии металла, коэрцитивной силы и магнитной памяти металла.

Магнитные шумы -- существенный фактор стабильности и разрешающей способности многих магнитных устройств, широкое поле для физических исследований.

Магнитные шумы, возникающие за счет Эффекта Баркгаузена, позволяют контролировать макронапряжения по корреляционным зависимостям амплитуды магнитных шумов от механических напряжений. Метод Эффекта Баркгаузена не нашел еще своего места в системах неразрушающего контроля качества в условиях серийного производства, хотя прекрасно зарекомендовал себя при решении многих исследовательских задач.

Шум, вызванный магнитными силами, как правило, имеет важное значение только в реакторах (дросселях), имеющих конструктивные воздушные зазоры. В этом случае между двумя частями, ограничивающими зазор, возникают переменные силы магнитного притяжения с удвоенной частотой намагничивания.

Шум, возбуждаемый механическими факторами, возникает вследствие распространения вибраций подшипников или внутренних частей машины на большие площади фундаментов или кожухов. Этот структурный шум преобразуется в аэродинамический и излучается в окружающую среду. Если причиной вибрации является плохая балансировка ротора, то шумы в большинстве случаев являются низкочастотными, так как нижняя граница диапазона слышимости 16 Гц соответствует частоте вращения 960 об/мин.

Магнитная анизотропия - зависимость магнитных свойств (в узком смысле - намагниченности) от выделенного направления в образце (магнетике). Существуют различные виды магнитной анизотропии. Зависимость намагниченности от её направления относительно кристаллографических осей в кристаллах называются естественной кристаллографической магнитной анизотропией. Кроме того, магнитная анизотропия может возникать вследствие магнитоупругих деформаций, при наличии внешних или внутренних напряжений (наведённая магнитная анизотропия), а также из-за анизотропии формы образца. В монокристаллах магнитная анизотропия приводит к большим наблюдаемым эффектам, например к различию величины магнитной восприимчивости парамагнетиков вдоль различных направлений в кристалле. В монокристаллах ферромагнетиков существуют направления легкого и трудного намагничивания. Число таких направлений определяется симметрией кристаллической решетки.

Для намагничивания монокристаллического образа до насыщения вдоль одной из осей легкого намагничивания нужно затратить значительно меньшую энергию, чем для такого же намагничивания вдоль оси трудного намагничивания. Энергию, затрачиваемую внешним магнитным полем на поворот вектора намагниченности ферромагнитного кристалла из направления легкого намагничивания в направлении трудного намагничивания, называют энергией естественной магнитной кристаллографической анизотропии.

Мерой магнитной анизотропии для данного направления в кристалле является работа намагничивания внешнего магнитного поля, необходимая для поворота вектора намагниченности J из положения вдоль оси легкого намагничивания в новое положение -- вдоль внешнего поля. Эта работа при постоянной температуре определяет свободную энергию магнитной анизотропии для данного направления и зависит от направления симметрии кристалла.

Магнитная анизотропия существенно влияет на процессы намагничивания и перемагничивания, на магнитную доменную структуру и другие свойства магнетиков. Причина магнитной анизотропии заключается в анизотропном характере магнитного взаимодействия между атомными носителями магнитного момента в веществах.

Коэрцитивной силой является напряженность внешнего магнитного поля, при которой намагниченность в материале, предварительно намагниченном до насыщения, становится равной нулю. Она определяется средней величиной сил, задерживающих необратимое смещение границ между доменами при перемагничивании. Задерживать смещение границ между доменами могут неферромагнитные включения разной формы и дисперсности, напряжения, обусловленные дислокациями и другими причинами, и градиенты напряжений, границы фаз, зерен и субзерен, а также прочие неоднородности и дефекты кристаллического строения.

Разработанным методам и существующим техническим средствам магнитного контроля напряженно-деформированного состояния элементов конструкций (трубопроводов) присущ ряд недостатков: однозначность показаний индикаторов механических напряжений по магнитным шумам и магнитной анизотропии металла лишь в области упругой деформации материала и неопределенность показаний в области его пластической деформации; значительная погрешность (в среднем около 30 %) определения величины механических напряжений в металле при упругих и упругопластических деформациях в условиях практического применения структуроскопов для измерения коэрцитивной силы; необходимость меры сравнения; отсутствие технологических регламентов контроля НДС элементов конструкций по магнитным диагностическим параметрам. Все это снижает эффективность косвенного магнитного контроля НДС элементов конструкций объектов контроля.

Приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований зависимости магнитных диагностических параметров от величины механических напряжений при упругих и пластических деформациях металла.

Экспериментально получены зависимости магнитных параметров трубных сталей марок 17ГС, Ст3, Ст10, 14ХГС (коэрцитивной силы Нс, анизотропии магнитной проницаемости или магнитных шумов металла U, напряженности поля остаточной намагниченности металла H) от величины механических напряжений о в металле трубопровода (доверительная вероятность полученных данных равна 0,75). С ростом величины напряжений коэрцитивная сила металла линейно возрастает в упругой и пластической областях деформации. Такая линейная зависимость Нс= f(o) на примере стали марки 17ГС приведена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Зависимость коэрцитивной силы металла от напряжения в образцах трубной стали 17ГС

При увеличении напряжений в металле трубы до предела текучести величина магнитного шума металла или величина анизотропии магнитной проницаемости монотонно увеличивается, затем достигает максимума. Далее она монотонно уменьшается с ростом механического напряжения (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - Зависимость величины магнитной анизотропии от механического напряжения в образцах трубной стали 17ГС

При упругой деформации металла напряженность поля остаточной намагниченности металла монотонно уменьшается и описывается линейным законом. В области пластической деформации металла трубы снижение величины напряженности поля остаточной намагниченности замедляется, затем прекращается (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 - Зависимость напряженности поля остаточной намагниченности от напряжения в образцах трубной стали 17ГС

Предложена эмпирическая формула расчета уровня напряженности поля остаточной намагниченности в зависимости от механического напряжения в области упругой деформации металла, которая имеет следующий вид:

(3.1)

где ;

Нr(у) - напряженность поля остаточной намагниченности стального изделия при механическом напряжении металла у, Мпа;

- напряженность поля остаточной намагниченности стального изделия в ненапряженном состоянии, А/см;

- остаточная намагниченность металла в ненапряженном состоянии, А/см;

- коэрцитивная сила металла в ненапряженном состоянии, А/см;

лs - магнитострикция насыщения металла, которая характеризует способность металла к изменению линейных размеров при намагничивании.

Численные расчеты коэффициентов парной корреляции показали, что рассмотренные магнитные параметры металла обладают относительно слабой взаимной корреляцией, поэтому их совместное использование является целесообразным с точки зрения однозначности интерпретации НДС в пластической области деформации металла и обеспечения высокой точности оценки НДС металла.

Рисунок 3.4 - Зависимость величины магнитного шума от величины напряжения в образцах трубной стали 17ГС

Оценка величины механического напряжения металла нефтепродуктопровода на основе отдельных магнитных параметров (на основе эмпирических зависимостей, приведенных на рисунках 3.1-3.4) имеет существенную относительную погрешность. Например, при определении величины напряжения металла, на основе, измеренной с инструментальной погрешностью величины коэрцитивной силы, относительная погрешность оценки механического напряжения металла находится в пределах от 23 до 37 %.

При этом, как показали результаты обработки экспериментальных данных, невозможно обеспечить достоверность контроля из-за неоднозначности определения области деформации на основе измеренных значений (с инструментальной погрешностью) магнитных шумов или магнитной анизотропии металла. Для них относительная погрешность достигает 35 % и выше в упругой области деформации металла.

Исследование количества информации I(X) (в экспоненциальных единицах) о напряженном состоянии металла методами теории информации показало, что увеличение количества измеряемых диагностических параметров N неаддитивно увеличивает количество полезной информации о НДС металла трубы (рисунок 3.5).

е - погрешность измерения магнитных параметров

Рисунок 3.5 - Зависимость количества информации о НДС металла от количества магнитных параметров

Показано, что увеличение количества информации о НДС металла трубопровода происходит при увеличении количества измеренных диагностических параметров от 1 до 3, далее рост их количества приводит к существенно меньшему росту количества информации о механическом напряжении металла, то есть было установлено, что использование более трех диагностических параметров для оценки НДС элементов конструкции является нецелесообразным.

Исследование особенностей технологии контроля НДС элементов конструкций (нефтепродуктопроводов) при комплексировании совокупности магнитных диагностических параметров.

Предложено методическое обеспечение и разработан технологический регламент контроля, устанавливающий порядок и последовательность выполнения необходимых мероприятий для проведения контроля НДС и оценки работоспособности элементов конструкций по магнитным диагностическим параметрам, структурная схема которого приведена на рисунке 3.6. Согласно этой методике анализ измеренной совокупности магнитных диагностических признаков формально разделяется на два этапа: определение области деформации металла (упругая или упругопластическая) и оценка механического напряжения.

1 - магнитошумовой метод (или метод магнитной анизотропии),

2 - коэрцитиметрический метод,

3 - метод остаточной намагниченности металла (метод магнитной памяти металла)

Рисунок 3.6 - Структурная схема магнитного контроля НДС и оценки работоспособности элементов конструкций по магнитным диагностическим параметрам

Для определения области деформации металла комплексируются два магнитных метода, магнитные параметры которых слабо коррелируют друг с другом (рисунок 3.6), при этом измеренные на контролируемом участке величины магнитных диагностических параметров сравниваются со значениями магнитных параметров, соответствующих базовому (допустимому) значению механического напряжения.

В отношении большинства объектов повышенной опасности (подъемные краны, лифты, сосуды, котлы и т.п.) остро стоит проблема определения остаточного ресурса несущих металлоконструкций при продлении их срока эксплуатации. В значительной мере задача объективной оценки состояния металлоконструкций решается сейчас с помощью магнитного контроля.

Магнитный метод контроля структуры и механических свойств изделий машиностроения и металлургии широко применяется в промышленности. Контроль механических характеристик (твердости, временного сопротивления при разрыве ув, предела прочности ут, относительного удлинения д, сужения ш и др.) стальных изделий возможен только для материалов, для которых существует взаимосвязь этих характеристик с магнитными свойствами металла. К структурно-чувствительным магнитным характеристикам относятся: начальная и максимальная магнитные проницаемости; напряженность намагничивающего поля, соответствующего максимальной магнитной проницаемости; остаточная намагниченность; коэрцитивная сила и другие.

Наибольшее применение в практике неразрушающего контроля структуры и механических свойств получили остаточная намагниченность Вr и коэрцитивная сила Hc.

Эксплуатационные дефекты обычно возникают и зарождаются уже на завершающей стадии «жизни» металла, тогда как предваряющие развиваются и накапливаются медленно, долго и постепенно, причем в течение самого продуктивного этапа эксплуатации. Эти процессы идут с явным опережением в зонах концентрации напряжений. Сами эти велики по размерам, их местонахождение хорошо известно уже при конструировании оборудования. Поэтому усталостные изменения существенно проще выявлять и легче измерять, но при условии, что найден эффективный параметр контроля. К тому же, при такой постановке задачи момент зарождения эксплуатационных дефектов упреждается, что также немаловажно с точки зрения стратегических принципов и акцентов диагностики. Очевидно, что аварии оборудования всегда легче и дешевле предупреждать, чем ликвидировать.

Для эксплуатационного контроля в цепях получения количественной и качественной оценки усталостных изменений, включая оценку остаточного ресурса оборудования, из всех магнитных характеристик наиболее пригодным параметром является коэрцитивная сила. Коэрцитивная сила является одной из наиболее структурно-чувствительных характеристик ферромагнитных материалов. Поэтому методы неразрушающего контроля, основанные на измерении коэрцитивной силы, нашли широкое применение. Их отличает высокая точность и достаточная простота, возможность проведения измерений на локальных участках контролируемых изделий, высокая чувствительность к фазовым превращениям, слабая зависимость от геометрических размеров объекта контроля.

На основе коэрцитиметрии можно оценить степень исчерпания исходного ресурса, можно также оценить и остаточный ресурс, но только при известном режиме эксплуатации.

Методика магнитной диагностики основывается на корреляционных зависимостях между физико-механическими свойствами ферромагнитных материалов и значением коэрцитивной силы, контролируемой при статических и усталостных испытаниях на всех стадиях нагружения, вплоть до разрушения. Теоретические исследования на основе энергетического подхода к анализу намагничивания металла, упругопластической деформации, накопления повреждений и роста коэрцитивной силы позволяют моделировать на образцах процесс нагружения металла при эксплуатации в условиях сложнонапряженного состояния. В сочетании с натуральными испытаниями метод подобия позволяет определить базовые параметры для контроля состояния металла по значениям коэрцитивной силы, соответствующих пределу текучести Нст, пределу прочности Нсв и пределу выносливости НсN с учетом анизотропии механических свойств сталей и сплавов.

Таблица 2 - Механические и магнитные характеристики листов толщиной 5…15 мм из конструкционных сталей

При контроле по коэрцитивной силе измеряется напряженность магнитного поля, необходимая для размагничивания предварительно намагниченного до технического насыщения изделия или локального участка изделия.

Намагничивание и размагничивание может осуществляться как в замкнутой, так и в разомкнутой магнитной цепи медленно изменяющимся или импульсным магнитным полем.

Определение нулевого магнитного момента изделия или локальной области изделия осуществляется магнитометрическим или индукционным способом. Ввиду того, что при определении коэрцитивной силы необходимо измерять малые величины магнитного момента или напряженности магнитного поля, магнитометрический способ требует применения высокочувствительных преобразователей (датчиков Холла, феррозондов). При индукционном способе измерения коэрцитивная сила определяется по нулевому уровню сигнала измерительной катушки, которая перемещается относительно контролируемого изделия, или с помощью вибрационных магнитометров.

Основными мешающими факторами при контроле по коэрцитивной силе являются изменения зазора между контролируемым изделием и преобразователем и скорость уменьшения намагничивающего тока, что требует принятия специальных мер для снижения их влияния.

Для реализации метода разрабатывают коэрцитиметры с преобразователями проходного типа (намагничивание и размагничивание внутри соленоида) или накладного типа (намагничивание и размагничивание с помощью накладного П-образного преобразователя) с ферромагнитным сердечником.

Заключение

Дипломная работа посвящена вопросам оценки напряженно-деформированного состояния магнитным методом контроля. Для этого рассматривала следующие задачи: исследовала магнитный неразрушающий контроль, магнитные преобразователи, взаимосвязь магнитных и механических характеристик объекта контроля.

В первом разделе описан магнитный неразрушающий контроль, в частности магнитометрический метод, даны определения основным характеристикам контроля, рассмотрены области применения метода магнитной памяти металла (МПМ), магнитная структуроскопия и толщинометрия.

Во втором разделе рассмотрела магнитные преобразователи (индукционные, гальваномагнитные, феррозондовые, квантовые, сверхпроводниковые), основные понятия, определения и характеристики, рассмотрены принцип действия измерителей магнитных величин. Также приведена классификация магнитных преобразователей и принцип их действия.

В третьем разделе исследовала напряженно-деформированное состояния объектов контроля, его роль на современном этапе, показаны зависимости магнитных параметров сталей (коэрцитивной силы, анизотропии магнитной проницаемости или магнитных шумов металла, напряженности поля остаточной намагниченности металла) от величины механических напряжений в металле. Описала проведение контроля, проведена магнитная диагностика напряженно-деформированного состояния и методы его определения, коэрцитиметрия.

Список использованной литературы

1 Абакумов А. А. Магнитная диагностика газонефтепроводов / А. А Абакумов, А. А. Абакумов (мл.). - М. : Энергоатомиздат, 2001. - 440с.

2 Афанасьев Ю. В. Средства измерений параметров магнитного поля / Ю. В. Афанасьев, Н. В. Студенцев, В. Н. Хорев, Е. Н. Чечурина, А. П. Щелкин. - Л. : Энергия. Ленингр. отделение, 1979. - 320с.

3 Дубов А. А. Принципиальные отличительные признаки метода магнитной памяти металлов и приборов контроля в сравнении с известными магнитными методами неразрушающего контроля / А. А. Дубов // Контроль. Диагностика. - 2003. - №12. - С.27-29.

4 Клюев В. В. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. Т.6 Магнитный метод контроля / В. В. Клюев, Г. С. Шелихов. ? М. : Машиностроение, 2006. - 700с.

5 Матюк В. Ф. Контроль структуры, механических свойств и напряженного состояния ферромагнитных изделий методом коэрцитиметрии / В. Ф. Матюк, В. Н. Кулагин // Неразрушающий контроль и диагностика. - 2010. - №3. - С.1-14.

6 Национальный стандарт РФ: ГОСТ Р 53966-2010 ; введ. 2010-11-25. - М. : Стандартинформ ; М. : Изд-во стандартов, 2010. - 8с. - (Контроль напряженно-деформированного состояния материала конструкций).

7 Национальный стандарт РФ: ГОСТ Р ИСО 24497-1-2009. - Взамен ГОСТ Р 52081 - 2003 ; введ. 2009-12-07. - М. : Стандартинформ ; М. : Изд-во стандартов, 2010. - 8с. - (Контроль неразрушающий. Метод магнитной памяти металла. Часть 1. Термины и определения).

8 Раннев Г. Г. Методы и средства измерений / Е. Г. Раннев, А. П. Тарасенко. - 3-е изд., стер. - М. : Издательский центр «Академия», 2006. - 336с.

9 Сухоруков В. В. Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 3. Электромагнитный контроль / В. В. Сухоруков, В. Г. Герасимов, А. Д. Покровский. - Практ. пособие. - М. : Высшая школа, 1992. - 312с.

10 Шрамков Е. Г. Средства и методы измерений (общий курс) / Е. Г. Шрамков, К. П. Дьяченко, Д. И. Зорин, П. В. Новицкий. - Учебное пособие для вузов. - М. : Высшая школа, 1972. - 520с.

Размещено на Allbest.ru