Оценка возможности технической диагностики сварных конструкций магнитным методом

Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, неразрушающий контроль, техническая диагностика, ресурс, металлоконструкция, параметр, перемагничивание, магнитный метод.

На сегодняшний день в эксплуатации находится ряд ответственных сварных конструкций, расчетный ресурс работы которых уже исчерпан либо близок к окончанию. Такая ситуация привела к развитию способов и методик технической диагностики объектов - проведения контроля с целью оценки текущего состояния объекта. В дальнейшем эти данные используют для формирования заключений о пригодности конструкции к дальнейшей эксплуатации в тех же условиях (продлении ресурса) либо необходимости ремонта и замены отдельных ее составляющих. Аналогичная проблема характерна и для современной промышленности: за последние два десятилетия значительно сократились темпы принципиального обновления основных фондов. Надежность работы таких конструкций может быть обеспечена только в случае выполнения комплексной их диагностики.

Основной задачей технической диагностики является оценка основных факторов, отвечающих за работоспособность конструкций: механических свойств металла, наличия дефектов, действующих напряжений и деформаций. В то время как существуют различные методики, дающие возможность с высокой достоверностью определить первые два фактора, напряженно-деформированное состояние остается наименее технически освоенным и математически обеспеченным.

Из множества существующих методов определения напряженно-деформированного состояния конструкции наиболее пригодны для практического использования магнитные: магнитоупругий, коэрцитивной силы, магнитной памяти, магнитошумовой.

Магнитоупругий метод успешно применяют для мониторинга напряженного состояния металлоконструкций [1], однако он не работает в области пластических деформаций. Метод магнитной памяти используют для поиска аномальных зон собственных полей рассеивания с интерпретацией последних в зоны концентрации напряжений [2]. Тем не менее, определение самих напряжений и деформаций проблематично. Магнитошумовой метод неприемлем для случая двуосных напряжений (когда неизвестны знаки нормальных компонент) [3].

Наиболее подходящим для определения пластических деформаций и напряжений является метод коэрцитивной силы [4, 5]. Он структурно чувствителен и в принципе может дать ответ о деградации свойств металла конструкции.

Одним из факторов, сдерживающих применение метода коэрцитивной силы, является его работа в постоянных магнитных полях. При этом конструкция намагничивается до насыщения, а датчик примагничивается к конструкции. По сравнению с другими способами, для этого способа характерны существенные значения времени измерения (например, для прибора КИМ-2М оно составляет 7 с), в течение которого датчик остается неподвижным. В связи с этим измерения напряжений выполняют на отдельных участках, вследствие чего наиболее нагруженные места могут остаться неохваченными при контроле. Также способ требует значительных энергетических затрат.

Переход к намагничиванию переменным током в полях, не приводящим к насыщению материала, дает возможность избавиться от ряда указанных недостатков, в частности, перейти к сканированию конструкции.

Целью работы была оценка возможности применения магнитного метода с намагничиванием переменным током в полях, не приводящих к насыщению для определения напряжений в конструкции.

Эксперименты проводили на образцах толщиной 4 и 8 мм, изготовленных из стали 09Г2С. Образцы подвергали нагрузке одноосными напряжениями растяжения до 140 МПа с помощью чистого изгиба (предел текучести материала образцов составляет 265-345 МПа).

Экспериментальная установка состояла из генератора переменного тока, усилителя, преобразователя, аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) и промышленного компьютера. Преобразователь выполнен на П-образном сердечнике с обмотками намагничивания и измерения с размером контакта 30 мм Ч 17 мм. Запись сигналов (токов обмотки намагничивания и измерительной) проводили с помощью аналогово-цифрового преобразователя NI USB-6009 с частотой 10 кГц. Поскольку в таком преобразователе ток через намагничивающую обмотку пропорционален напряженности магнитного поля, а через измерительную - первой производной от магнитной индукции, сигнал, получаемый с измерительной обмотки, программно интегрировали методом Симпсона.

Намагничивание образцов выполняли переменным полем напряженностью 300 А/м, для этого намагничивающую обмотку преобразователя питали синусоидальным напряжением 17,5 В частотой 50 Гц. напряжение конструкция перемагничивание метал

Для сравнения предлагаемого магнитного метода с методом коэрцитивной силы выполняли ее измерение на тех же образцах прибором «КИМ-2М».

По аналогии с методом коэрцитивной силы информативным параметром была принята напряженность поля Н при В = 0 Тл, для определения которой в каждом эксперименте выполняли построение петли гистерезиса (рисунок 1). Напряженность поля зависит от тока намагничивания обмотки преобразователя, который, кроме параметров источника питания, определяется магнитной проницаемостью материала образца. Она, в свою очередь, зависит от напряжений и деформаций образца, что приводило к колебаниям напряженности магнитного поля во время экспериментов. Поэтому найденное значение Н нормировали делением на H_max. Такой подход позволяет перейти к относительным единицам измерения, что существенно упрощает предварительную обработку данных, полученных при измерении, и последующее их сравнение.

Рисунок 1 - Частная петля гистерезиса и параметры перемагничивания

Измерения проводили, располагая преобразования вдоль и поперек направления действия напряжений, поскольку магнитная проницаемость материала вдоль и поперек действия этих напряжений изменяется по-разному.

Результаты

В результате проведенных экспериментов получили данные о зависимости величины H/H_max|_B=0 от напряжений для двух случаев ориентации датчика: вдоль направления действия напряжений и поперек (рисунок 2). Анализ данных показал, что между этими величинами существует линейная зависимость, причем изменение величины H/H_max|_B=0 с увеличением уровня напряжений при расположении датчика поперек действия напряжений происходит сильнее, чем при его расположении вдоль.

Провели аппроксимацию этих данных линейной зависимостью y = a·x + b. Для случая поперечного размещения датчика коэффициент детерминации R² составил 0,9, таким образом, такая аппроксимация является достаточно точной и может быть использована для дальнейших расчетов. При этом зависимость описывается выражением

(1)

Для случая продольного размещения датчика коэффициент детерминации равен 0.21, то есть зависи-мость между величинами практически отсутствует. Аппроксимация этих данных логарифмической, экспоненциальной и степенной функциями не привели к существенному улучшению результатов. Поэтому при продольном расположении датчика в данном случае невозможно судить о величине остаточных напряжений в металле образца. Это соответствует известным литературным данным [4].

Для проверки предложенной методики определения напряжений провели аналогичные эксперименты с применением серийного коэрцитиметра «КИМ-2М» (рисунок 3). Аппроксимацию проводили аналогично первой серии экспериментов. При измерении напряжений коэрцитиметром для случая поперечного размещения датчика коэффициент детерминации составил 0,8, а для продольного размещения - 0,02.

Рисунок 2 - Зависимость параметров перемагничивания от напряжений (расположение датчика поперек действия напряжений - сплошная линия, вдоль действия напряжений - штриховая линия)

Рисунок 3 - Зависимость показателей коэрцитиметра от напряжений (расположение датчика поперек действия напряжений - сплошная линия, вдоль действия напряжений - штриховая линия)

Это означает достаточно точную зависимость для поперечного размещения и полное ее отсутствие для продольного, как и для экспериментов с намагничиванием переменным полем. Таким образом, можно сделать вывод о том, что предложенный подход к определению напряжений имеет характер, аналогичный зависимостям измеряемой величины от напряжений, и несколько большую корреляцию этих данных.

Для каждой группы измерений выполнили расчет ошибки определения величины напряжений в образце. Рассчитанные по зависимости (1) значения напряжений сравнивали с реальной величиной напряжений, которые создавали в образце с помощью балки. Анализ полученных данных показал, что максимальная ошибка с увеличением напряжений уменьшается (рисунок 4) и при напряжениях выше 100 МПа становится меньше 20%. Величина напряжений 100 МПа значительно меньше предела текучести низкоуглеродистых конструкционных сталей, поэтому предложенный метод определения напряжений пригоден для оценки уровня остаточных напряжений в сварной конструкции и поиска наиболее напряженных участков.

Выводы

1. Экспериментально доказана принципиальная возможность использования параметров перемагничивания материала в слабых магнитных полях для определения напряженного состояния конструкции. Предложенная схема позволяет выполнять измерение в режиме сканирования, поскольку датчик не примагничивается к изделию.

2. Экспериментально получены зависимости параметра перемагничивания H/H_max|_B=0 от напряжений в металле. Показано, что информативными являются данные, полученные при поперечном расположении преобразователя по отношению к направлению напряжений. Представлена расчетная зависимость для расчета параметра перемагничивания при известном уровне напряжений, коэффициент детерминации которой составляет 0,9. Использование продольного направления расположения преобразователя малоинформативно: зависимость между параметрами практически отсутствует. Эти зависимости коррелируются с аналогичными зависимостями, полученными методом коэрцитивной силы с использованием промышленного прибора.

3. Показано, что максимальная ошибка при определении напряжений с использованием параметров перемагничивания материала в слабых магнитных полях уменьшается с увеличением напряжений. При напряжениях выше 100 МПа максимальная ошибка не превышает 20 %. Таким образом, предложенный метод определения напряжений пригоден для оценки уровня остаточных напряжений в сварной конструкции и поиска наиболее напряженных участков.

Рисунок 4 - Максимальная ошибка определения напряжений

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фомичев С.К. Сбор, накопление и визуализация данных мониторинга напряженного состояния магистральных трубопроводов / С.К. Фомичев, А.Е. Пирумов, С.Н. Минаков, А.С. Минаков, А.В. Данильчик, С.В. Михалко, М.А. Яременко // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2012. - № 1. - С. 49-52.

2. Дубов А.А. Метод магнитной памяти металла и приборы контроля: учебное пособие / А.А. Дубов, С.М. Колокольников. - М.: ЗАО «ТИССО». - 2006. - 332 с.

3. Венгринович В.Л. Байесовский подход к неразрушающему контролю напряженно-деформированного состояния / В.Л. Венгринович, Д.В. Дмитрович // Техн. диагностика и неразруш. контроль. - 2008. - №4. - С. 45-53.

4. Бахарев М.С. Разработка методов измерения механических напряжений на основе обратимых и квазиобратимых магнитоупругих явлений: автореферат дис. … д-ра техн. наук: спец. 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» / М.С. Бахарев. - Томск: Томский политехн. ун-т. - 2004. - 45 с.

5. Мужицкий В. Ф. Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса стальных металлоконструкций подъемных сооружений и сосудов, работающих под давлением/ В.Ф. Мужицкий, Б.Е. Попов, Г.Я. Безлюдько // Дефектоскопия. - 2001. - №1. - С. 38-46.

Размещено на Allbest.ru