Магнитоанизотропный метод НК - новый метод диагностики сварных металлических конструкций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Доклад

Магнитоанизотропный метод НК новый метод диагностики сварных металлических конструкций

Несмотря на то, что в последние годы в различных отраслях промышленности, в том числе и на предприятиях транспортной инфраструктуры (автомобильного, железнодорожного, трубопроводного), тратятся огромные средства на техническое оснащение подразделений самыми современными средствами дефектоскопии, а технический контроль жестко регламентируется соответствующими надзорными органами, техногенные аварии продолжаются. Более того, были выявлены ситуации, когда аварии происходили после плановой дефектоскопии объектов, при которой никаких дефектов обнаружено не было. Однако известны также случаи, когда забракованный по действующим нормам объект показывал превосходные результаты при испытаниях.

Очевидно, что как пропуски дефектов, так и ложные тревоги наносят значительный экономический ущерб. Поэтому для гарантии безопасной работы конструкции требуется не констатация наличия дефекта, а знание условий, в которых находится исследуемая точка конструкции. В этой связи необходимо изменить подход к технологии технической диагностики.

Проблема оценки текущего технического состояния и прогнозирования остаточного ресурса любых инженерных конструкций является весьма актуальной. дефектоскопия магнитоанизотропный инженерный прибор

Десятилетиями развивалось направление обнаружения дефектов в виде разрывов сплошности и инородных включений - дефектоскопия. Поскольку бездефектных реальных тел не бывает, а влияние вероятных дефектов на объект можно было оценить лишь статистическими методами на стадии проектирования, в методах расчета широко применялись так называемые «коэффициенты запаса». При таком подходе заданная надежность и другие показатели функционирования конструкции обеспечиваются только за счет материалоемкости и стоимости продукции.

С развитием техники и ростом требований к функционально-стоимостным критериям оценки качества продукции возросла актуальность оптимизации её функционально-стоимостных характеристик. Очевидным направлением решения задачи стало совершенствование методов дефектоскопии в части возможностей измерения размеров и координат дефектов.

С какой целью проводится комплекс диагностических операций?

Как правило, это поиск несплошностей металла (поры, трещины и т.п.) или инородных включений (шлак и др.). Несмотря на то, что современные средства дефектоскопии находятся на чрезвычайно высоком уровне. дефектоскопия не дает прямого ответа на вопрос «является ли дефект достаточным условием разрушения конструкции». Дефектоскопия лишь выявляет дефекты, показывает их положение и размеры. И лишь после дополнительного расчета с учетом этих исходных данных можно оценить опасность (т.е. степени развития условий) разрушения.

С точки зрения классической теории сопротивления материалов один из механизмов разрушения конструкции состоит в возникновении и развитии трещины до момента разделения конструкции на части.

Здесь следует учесть следующее.

Во-первых, трещина уже существовала до проведения контроля, т. е., получены апостериорные знания.

Во-вторых, всем специалистам известно, что имеется достаточно высокая вероятность того, что трещина не будет развиваться (пример - трещины стресс-коррозии).

В-третьих, один из методов «лечения» трещины заключается в засверливании ее вершины, т. е. в создании дефекта многократно большего размера.

Современная нормативная база, и возможности дефектоскопии не всегда являются гарантией правильной классификации опасности проверенного участка конструкции.

С другой стороны, физика твердого тела прямо свидетельствует, что существуют опасные дефекты, размеры и пространственное положение которых не могут быть установлены самыми совершенными дефектоскопами.

Согласно классической теории сопротивления материалов необходимыми и достаточными условиями разрушения твердого тела путем образования трещины является наличие местной концентрации механических напряжений и высокий градиент разности главных механических напряжений. При этом зарождение дефекта происходит в точке концентрации напряжений, а его развитие - в направлении градиента.

Если нет концентратора или нет достаточно высокого градиента напряжений, трещина не рождается и не развивается. Если дефект есть, но нет высокого градиента напряжений, трещина не развивается.

При наличии названных условий в точке, где на данный момент нет дефекта (разрыва сплошности металла), дефект непременно появится в ближайшем будущем, что и наблюдается на практике.

Таким образом, для гарантии безопасной работы конструкции требуется не констатация (наблюдение) наличия дефекта, а знание условий, в которых находится исследуемая точка конструкции.

В этой связи первыми операциями диагностирования должны быть поиски и оценки концентраторов механических напряжений (КМН) и высоких уровней разностей главных механических напряжений (РГМН). Затем должны выполняться операции дифференцирования природы выявленных участков. После этого практически автоматически может приниматься решение о способах «лечения» опасных мест. В результате исключаются случаи так называемых «внезапных» и «непредсказуемых» разрушений конструкций в местах, успешно выдержавших испытания методами дефектоскопии, а также исключаются затраты на ремонт конструкций со «спящими» дефектами.

Ещё в 1865 г. был обнаружен так называемый магнитоупругий эффект (Э. Виллари-эффект), который заключается в том, что при деформировании ферромагнитного материала изменяются магнитные свойства ферромагнетика, например, намагниченность или магнитная проницаемость.

Более детальные исследования привели к обнаружению зависимости магнитных свойств материала (ферромагнетика) от выделенного в образце направления. Это явление получило название - магнитная анизотропия. МА может возникнуть как следствие, магнитоупругих деформаций, из-за внешних и внутренних напряжений (наведенная магнитная анизотропия), а также из-за анизотропии формы образца. Измеряя параметры магнитных свойств, можно решить обратную задачу - установить уровень деформирования или величину напряжений в ферромагнитном материале.

Для исследования полей механических напряжений могут использоваться приборы, относящиеся к классу электромагнитных измерителей напряжений. Принцип их действия основан на использовании магнитоупругого эффекта, под которым понимается свойство ферромагнитных материалов изменять магнитное состояние под влиянием механических напряжений. На магнитоупругом эффекте основан принцип действия магнитоупругих и магнитоанизотропных преобразователей.

Высокие значения погрешностей, получаемые при стандартном подходе к решению задачи, и игнорирование некоторых физических явлений долгое время являлись препятствием для внедрения электромагнитных методов на практике. Известно, что верхний слой (до 0,2 мм) металла находится в нехарактерном для конструкции напряженном состоянии (наклеп, азотирование, цементация, механические микроцарапины и пр.). Из-за этого возникают трудности применения, например, приборов на основе эффекта Баркгаузена. Другими причинами низкой достоверности контроля механических напряжений с помощью электромагнитных полей являются магнитомеханический гистерезис, и попытки получения результата по одному из параметров петли гистерезиса (например, только по коэрцитивной силе H_c или только по остаточной индукции B_r).

Детальный учет физической природы явления, а также того факта, что вся полезная информация содержится в нескольких параметрах петли гистерезиса, позволили разработать приборы серии «Комплекс-2» (STRESSVISION^®). При этом потребовалось создать специальный алгоритм обработки информации.

Любая зависимость между B и у имеет точку инверсии, после которой связь между B и у становится обратной, т.е. один и тот же уровень выходного сигнала может быть получен для двух различных механических напряжений. Такое явление магнитомеханического гистерезиса наблюдается, например, вблизи и в самой зоне пластического течения. А поскольку при монтаже стальных конструкций используется исходный материал, испытавший в процессе подготовки и монтажа многочисленные знакопеременные механические воздействия, в том числе и местные пластические деформации, то известные измерители механических напряжений нередко дают ложные результаты.

Алгоритм обработки информации, получаемой с помощью приборов STRESSVISION^®, в частности, позволил решить проблему магнитомеханического гистерезиса [Жуков С.В., Жуков В.С., Копица Н.Н. Способ определения механических напряжений и устройство для его осуществления // Патент РФ, №2195636 от 05.03.01, Бюл. №36, 27.12.02].

Приборы работают с магнитоанизотропными («крестовыми») преобразователями, которые, представляют собой два взаимно-перпендикулярных П-образных магнитопровода, на одном из которых располагается обмотка возбуждения, на другом - измерительные обмотки. Преобразователи используют анизотропию магнитных свойств, возникающую в ферромагнетике при нагружении внешней силой.

Благодаря специальной схеме включения, при размещении преобразователя на изотропном материале выходной сигнал равен нулю (это важный признак правильно изготовленного преобразователя, расположенного на однородном ненагруженном ферромагнитном материале). При изменении механических напряжений развивается магнитомеханическая анизотропия. В результате появляется «разбаланс» преобразователя и на его выходе возникает сигнал, пропорциональный разности главных механических напряжений.

Преобразователи используют анизотропию магнитных свойств, возникающую в ферромагнетике при нагружении внешней силой, и свободны от недостатков приборов, использующих магнитоупругие преобразователи [Жуков С.В., Копица Н.Н. Исследование полей механических напряжений в металлических конструкциях приборами «Комплекс-2» // Сб. научн. Трудов отделения «Специальные проблемы транспорта» Росс. Академии транспорта, №3, 1998, с.214-222].

Установлено, что связь между механическими напряжениями и магнитными свойствами среды характеризуется магнитоупругой чувствительностью:

,

где B - магнитная индукция (характеризуется величиной и направлением действия), у - механическое напряжение.

Принцип действия магнитоанизотропного преобразователя основан на эффекте поворота вектора магнитной индукции B, создаваемой первичной обмоткой в зоне измерений. Величина напряжения U на выходе измерительной обмотки щ описывается формулой:

где B - усредненное значение индукции; S₀ - площадь, охватываемая обмоткой; K - коэффициент пропорциональности; в - угол между плоскостью измерительной обмотки и вектором магнитной индукции B; f_п - частота питающего напряжения.

Формула получена для одинакового направления векторов у и B. Поворот вектора B можно характеризовать изменением его ортогональных составляющих.

Более детальный анализ показывает, что выходной сигнал «крестового» магнитоанизотропного преобразователя сразу (т.е. до какой-либо обработки) выдает сигнал, пропорциональный разности главных механических напряжений (РГМН):

Полученный результат очень важен, так как согласно 3-му критерию прочности (критерий Треска) разрушение материала происходит, когда

В 1934 г. курсант школы Гражданского воздушного флота В. С. Жуков создал первый прибор на основе магнитоанизотропного метода. Работа была возобновлена только в 1954 г. в связи с созданием СНИЛ-15 в Ленинградской Краснознаменной военно-воздушной инженерной академии им. А. Ф. Можайского.

В 1964 г. в инженерные воинские части СССР поступил серийный прибор НК под названием «Измеритель магнитной проницаемости «ИМП».

Мало специалистов обратило на него внимание именно из-за названия. На самом деле это был первый в мире серийный измеритель механических напряжений с рабочей частотой намагничивания металла ? 400 Гц. Это позволяло получать информацию о напряженном состоянии слоя металла ? 1 мм, что устраняло влияние слоев наклепа. Это важно, т.к. в зоне наклепа механические напряжения многократно отличаются от напряжений в основном металле. Способ контроля получил название «метод оценки механических напряжений на основе эффекта магнитомеханической анизотропии металлов» и широко применялся в военном строительстве.

Прибор многократно модернизировался, получал иные наименования (например, ИНТ, ИНТ-2 и др.), каждый раз включался в состав «Подвижных комплексных лабораторий НК качества строительства объектов МО СССР». Прибор неоднократно демонстрировался на выставках, многие модели были удостоен наград (золотые медали), информация о схемотехнических решениях и некоторые элементы алгоритмов обработки результатов измерений публиковались. Неоднократно предпринимались попытки скопировать прибор, но по ряду причин все они оказывались безуспешными, порождая массу публикаций о «бесперспективности» метода.

На рубеже 70-80-х гг. на Западе появились аналоги прибора «ИМП». В 1982 г. фирма Technical Software Consultants Ltd разработала устройство StressProbe, реализующий метод получивший название «Alternating Current Stress Measurement».

По физической сущности этот метод НК чрезвычайно близок к методу оценки механических напряжений на основе эффекта магнитомеханической анизотропии металлов. Однако в основе его теоретического описания лежит явление магнитолстрикции StressProbe использует высокие частоты (? 5 кГц), дает результат в точке измерения и имеет ряд недостатков.

Первый недостаток состоит в том, что металл на самом деле неоднороден. То есть, измерив напряжения в одной точке, нельзя быть уверенным, что в близлежащей (например, удаленной на 5 мм) точке будут получены такие же результаты. По отдельным точкам, конечно, можно построить таблицу или график, но такие результаты требуют определенных дополнительных усилий, чтобы понять точное размеры, конфигурацию и положение концентратора напряжений, и, тем более, требуются усилия и время, чтобы вычислить значения критериев в условиях разрушения.

Другой недостаток состоит в следующем. Хотя высокая частота намагничивания - это большое удобство для технологии производства приборов (легче сделать малогабаритные преобразователи-датчики, легче разрабатывать их технические модификации, легче достигать высоких скоростей измерения). Но, с другой стороны, вследствие применения высоких частот намагничивания металла, StressProbe показывает результат измерения напряжений в тонком поверхностном слое, подверженном наклепу, воздействию агрессивных сред и т.п. Вследствие этого, на обычных строительных объектах результат не в полной мере отражает напряженное состояние основного металла. Наконец, градуировка прибора может быть сделана только под конкретную марку стали. В устройстве не предусмотрена технология «заочной» или удаленной градуировки, что создает определенные трудности для потребителя.

В 1992 г. была создана негосударственная научно-исследовательская компания «Институт проблем технической диагностики и неразрушающих методов испытаний «ДИМЕНСтест». В этом институте под руководством С. В. Жукова усовершенствована теория магнитоанизотропного метода НК, на основе которой разработан и выпущен индикатор механических напряжений. Новейшие версии «ИМП» стали выпускать под названием StressVision-2 (на экспорт) и «Комплекс-2» (для России) (рисунок 4).

Основным достоинством этих приборов является минимальная частота намагничивания < 100 Гц, что позволяет получать информацию из слоев металла глубже 6 мм.

В новых приборах намагничивание осуществляется на нескольких частотах, что позволяет получать информацию о напряженном состоянии нескольких слоев металла.

Появление ПЭВМ класса ноутбук облегчило задачу получения информации о напряженном состоянии металла. Теперь, непосредственно на рабочем месте, сразу по завершении измерений оператор может получить результат обработки полученной информации. Главным достоинством приборов этого класса является представление результатов измерений и обработки в виде наглядных карт распределения разности главных механических напряжений, карт распределения коэффициента концентрации напряжений, коэффициента неоднородности напряжений и градиента напряжений обследованного участка металлической конструкции (рисунок 5). То есть все условия разрушения иллюстрируются.

На картах используется цветовая градация отображаемых величин. Линии равных РГМН (изострессы) и равных коэффициентов КМН отображаются линиями с маркерами соответствующих величин с шагом, задаваемым оператором.

Интерфейс предусматривает окна для ввода паспортных данных обследуемого объекта, комментариев и заключений оператора и специалиста. Результаты обследования автоматически заносятся в базу данных, формируются выходные документы.

Важно, что карты строятся на основании специального алгоритма совместной обработки всех точек измерения в зоне контроля. Благодаря этому, исключается искажение результатов из-за случайных «выбросов значений» результатов измерений, а также появляется возможность пропускать измерения в точках примерно на 20 % площади зоны контроля, так как алгоритм обработки восстанавливает пропущенные результаты измерений. Например, можно не выполнять измерения непосредственно на самом сварном шве, но на картах соответствующие значения будут отображены.

Элементы технологии обследования с помощью сканер-дефектоскопов Stress-Vision-2. Процесс измерений с помощью сканер-дефектоскопов StressVision-2 достаточно простой. На обследуемую конструкцию, например, трубу, наносится координатная сетка. Эту сетку можно изготовить заранее (трафарет) из листа немагнитного материала или нанести краской. Толщина листа не более 5 мм. Параметры сетки (число «строк», число «точек в строке», размер ячейки сетки и номер зоны контроля), а также номер преобразователя вводятся в Блок измерений либо с клавиатуры Блока измерений, либо из ПЭВМ. Сами измерения выполняются в узлах сетки. Для этого достаточно нажать кнопку «Старт» и через секунду измерение будет завершено.

Оператор может не следить за дисплеем Блока измерений - все автоматически регистрируется. Команда на перемещение преобразователя (датчика) в новую точку измерений - красный цвет светодиода на корпусе преобразователя заменяется зеленым цветом. Когда измерения будут выполнены во всех точках, Блок измерений запретит дальнейшие операции в зоне контроля.

После этого, данные списываются в ПЭВМ. Сразу, со скоростью воспроизведения текстового листа в формате WORD можно получить изображение любой карты с заданными параметрами. Можно проводить обследование небольших зон, а при обработке «сшить» карты в одну, например, сделать карту для всей поверхности конструкции. Ранее «сшитую» карту можно разделить на отдельные карты. Для изделий цилиндрической формы можно «свернуть» карты в трубочку по профилю конструкции (например, это удобно для труб). Для усиления наглядности карты можно перестроить в 3-мерном виде (3D). Перевод результатов измерения напряжений в МПа выполняется под каждую, конкретную марку стали, имеющуюся в каталоге прибора. Если марка стали, которая интересует оператора, отсутствует в каталоге, то по специальной методике соответствующая градуировка может быть выполнена посредством связи через ИНТЕРНЕТ.

Получив карты, оператор сразу (без дополнительной математической обработки) может визуально узнать о наличии опасных мест и оценить степень опасности, оценить качество термообработки и т.д. (рисунок 8).

При анализе карт оператор имеет возможность узнать фактические параметры напряженного состояния любой точки обследованного участка. Есть версии прибора, которые на основании полученных данных автоматически формируют отчет, который после печати сразу будет готов к подписанию.

На карту дополнительно нанесены результаты стандартной дефектоскопии. Как видно из приведенного материала, традиционные методы показывают лишь часть опасных участков обследованной зоны. При этом они не позволяют определить степень опасности выявленных дефектов. Более того, ни один из примененных методов не выявил область наиболее опасных дефектов - группу поперечных микротрещин. Прибор «Комплекс-2.05» показал всю опасную зону с указанием степени опасности в каждой ее точке.

С 2008 г. производство приборов и патенты на магнитоанизотропный метод переданы в компанию ООО «Феррологика». Выпуск обновленной линейки приборов осуществляется под торговой маркой STRESSVISION^®. В настоящее время сканер-дефектоскоп «Комплекс 2.05» выпускается с различными версиями ПО. Сравнительные характеристики версий прибора представлены в таблице. В связи с различным набором функций версии программного обеспечения различаются по цене.

Новая технология обладает неоспоримыми преимуществами именно потому, что с ее помощью сразу, минуя какие-либо расчеты, выявляются концентраторы механических напряжений и градиент разности главных механических напряжений, а также оценивается степень их опасности.

Новая технология позволяет избежать ошибочных решений по «досрочному» ремонту конструкции, не позволяет пропустить опасное место даже в случаях, когда известные ультразвуковые, рентгеновские и другие приборы пропускают угрозу существованию конструкции. Это дает огромный экономический эффект, повышает безопасность инженерных конструкций, спасает экологию от последствий «техногенных катастроф» (взрывы трубопроводов, протечки нефтяных резервуаров и т.д.).

Приборы STRESSVISION^® Expert позволяют определять РГМН в единицах измерения механических напряжений (Н/мм²), младшие версии - в условных единицах, т.е. применимы для качественных сравнении («больше - меньше - равно»).

Сканеры механических напряжений «STRESSVISION^®» позволяют обнаружить КМН и градиенты, показать их точные координаты и количественно оценить их развитие без дополнительных измерений. Это позволяет, с одной стороны, делать выводы о текущем техническом состоянии обследованного участка [Штефан В.И., Тентлер А.В., Подольский В.Е. Управление процессом снятия остаточных механических напряжений в стальных конструкциях на ФГУП МП «ЗВЕЗДОЧКА» с помощью приборов «Комплекс-2.05»] и приступать к оценке остаточного ресурса, а, с другой, - принимать обоснованные решения о целенаправленном (положение градиентов и концентраторов точно указано на картах) устранении концентраторов и градиентов, т.е. к устранению источников появления и развития дефектов.

Для оценки эксплуатационной опасности состояния металла на участке не столь важны сами значения механических напряжений, как места их концентрации и скорости изменения напряжений (градиенты). Дело в том, что в центрах (в максимумах) концентрации механических напряжений (КМН) зарождаются дефекты. Это - генераторы дислокаций. Например, на нефтепроводах именно здесь развиваются свищи. При достаточно высоких значениях градиентов эти дислокации начинают двигаться. Как результат, рождаются трещины. Если на обследованном участке нет зон повышенной концентрации МН и градиентов, то на этом участке металл не разрушится.

Какие ограничения и сложности существуют при применении «Комплекс-2.05»?

Существуют два основных ограничения. Они связаны с размерами преобразователя прибора:

1 минимальная исследуемая площадь поверхности - 50х50 мм;

2 минимальный радиус кривизны поверхности - 40 мм;

При применении АПК «Комплекс-2.05» для измерения действующих механических напряжений требуется доступ к поверхности изделия, т.е. проводить измерения через изоляцию нельзя.

В последние годы внедряются контактные сканирующие устройства индикации местонахождения зон концентрации напряжений (аномалий напряженно-деформированного состояния) ферромагнитных материалов без предварительного намагничивания с использованием т. н. «метода магнитной памяти металла»- одно- или двухканальные магнитометры ИКН-1М, ИМНМ-1Ф. Однако, в отличие от первых, где размагничиваемость предварительно намагниченного участка контролируемого объекта обусловлена, прежде всего, действием механических напряжений, т. к. эта зона находится под «особым контролем» - обычно намагниченная зона помечается визуально, во втором случае однозначно трактовать причину резкой неоднородности остаточной намагниченности объекта контроля, строго говоря, нельзя. Эту неоднозначность несколько снимает контроль по коэрцитивной силе, но и этот вопрос требует существенной проработки и проведения дополнительных исследований.

В заключение приведем лишь один пример техногенной катастрофы на транспорте, причиной которой был «безобидный» КМН на «бездефектном» участке.

Танкер «Скенектади» (класс судов «Либерти») после ходовых испытаний возвратился в порт, где в тихую погоду при температуре минус 4^o разломился на две части. Трещина зародилась именно у острого угла люка на палубе (прямоугольный люк, края которого не были скруглены) и практически мгновенно прошла по обоим бортам до киля.

Разрушения точно такого же типа произошли еще на нескольких судах этой серии. Заметим, что никаких дефектов типа разрыва сплошности металла (трещины, поры и пр.) традиционная дефектоскопия при приемки кораблей в эксплуатацию не показала. Однако при расследовании был выявлен именно этот «дефект» - концентратор механических напряжений в «бездефектной» конструкции. Аналогичная ситуация сложилась практически у всех судов этого класса.

Размещено на Allbest.ru