Оценка, прогнозирование и управление рисками грузо-подъемных машин критериями магнитного контроля (стр. 4 )

По техническому заданию Ростехнадзора была создана и прошла сертификацию, а затем и межведомственную комиссию группа магнитных структуроскопов (коэрцитиметров) КРМ-ЦК-2, и его модификаций КРМ-ЦК-2М (с отстройкой от зазора) и КРМ-ЦК-3М (с микропроцессором и интерфейсом для работы с ЭВМ). В настоящее время такие коэрцитиметры выпускаются серийно и применяются как при контроле механических свойств в металлургии, так и при технической диагностике металлоконструкций оборудования повышенной опасности [240]. В отличие от своих предшественников, этот прибор можно использовать как в стационарных условиях, так и на производственных объектах. Конструктивно структуроскоп (коэрцитиметр) КРМ-ЦК-2М состоит из измерительного блока, соединенного кабелем с преобразователем, см. рис. 5.7.

Рис. 5.7. Структуроскоп КРМ-ЦК-2М

Принцип действия прибора основан на вычислении коэрцитивной силы по измеряемому току компенсации остаточной магнитной индукции в замкнутой магнитной цепи, составленной из магнитопровода преобразователя и контролируемого изделия. Цикл измерения, воспроизводящий полную петлю магнитного гистерезиса, включает в себя следующие этапы: магнитную подготовку (3 сек.), компенсацию остаточной намагниченности (3 сек.), вычисление (2 сек.), индикацию результатов измерения. В процессе магнитной подготовки область исследуемого изделия между полюсными наконечниками магнитной системы преобразователя периодически намагничивается до насыщения импульсами тока с амплитудой не менее 2 А. Затем осуществляется автоматическая компенсация поля остаточной намагниченности. По величине тока компенсации магнитного поля автоматически вычисляется значение коэрцитивной силы в А/см. После чего происходит включение цифровой индикации. Блок-схема прибора приведена на рис. 5.8.

Рис. 5.8. Блок-схема прибора КРМ-Ц-К2М

Кроме коэрцитиметров в практике магнитной диагностики широко применяются магнитометры, осуществляющие измерение магнитной индукции у поверхности контролируемого объекта [241]. Еще недавно эти приборы были ориентированы преимущественно на работу в цехах и лабораториях металлургических и машиностроительных предприятий. И предназначались для контроля остаточной намагниченности продукции металлургических производств (трубы, рельсы, листы, сортовой прокат и др.). В последнее время, когда в качестве индикатора стал использоваться датчик Холла, возможности прибора значительно расширились. Прибор может вести неразрушающий контроль и осуществлять дефектоскопию ферромагнитных материалов, работающих под действием длительных статических и. циклических нагрузок [242]. Отстраиваясь от фонового магнитного поля Земли (~ 0,04 мТл), прибор фиксирует уровень остаточной намагниченности (размагниченности) металла, по которому при наличии соответствующих номограмм можно судить как о структурном состоянии металла, так и о накоплении повреждении в нем. Поэтому широкое распространение получили магнитометры дефектоскопические – семейство магнитных индикаторов МИ-10Х, см. рис. 5.9.

Рис. 5.9. Семейство магнитных индикаторов МИ-10Х

Физическая сущность магнитной дефектоскопии заключается в следующем [243]. В однородном магнитном поле НО ферромагнетик за счет искажения поля приобретает намагниченность, значительно большую намагниченности материала, заполняющего трещину. По этой причине часть линий намагниченности обрывается на одной грани дефекта и снова начинается на другой, см. рис. 5.10. Конец каждой линии можно рассматривать как некоторый положительный магнитный заряд. Поэтому на одной грани будут положительные, а на другой отрицательные магнитные заряды. Эти заряды обязаны своим появлением размагничивающему действию граней дефекта. Каждый магнитный заряд создает магнитное поле, направленное из него как из центра. Суммарное поле магнитных зарядов называют полем дефекта . Поле имеет сосредоточенный характер. Поэтому результирующее поле, которое является суперпозицией внешнего намагничивающего поля и поля дефекта , становится неоднородным и имеет

сложную топографию.

Рис. 5.10. Поле рассеяния над дефектом (а) и топография тангенциальной и нормальной составляющих напряженности поля дефекта (б)

На рис. 5.10а пунктирными линиями показано типичное поле рассеяния над поверхностным дефектом в виде прямоугольной канавки шириной S и глубиной Т, а справа - представлена топография тангенциальной и нормальной составляющих напряженности поля этого дефекта, см. рис. 5.10б.

Из графика следует, что нормальная составляющая имеет максимум до и после дефекта, а при пересечении дефекта обращается в нуль, тангенциальная составляющая наоборот над дефектом имеет максимум и быстро снижается по мере удаления от дефекта. Амплитуды нормальной и тангенциальной составляющих сильно зависят от размеров дефекта и их ориентации по отношению к внешнему полю. Дефектоскопические магнитометры с датчиком Холла, ориентированным к контролируемому полю, легко обнаруживают дефект, как по тангенциальной, так и по нормальной составляющей.

Обобщая результаты проведенных исследований по магнитному контролю сварных соединений, автор пришел к выводу о возможности оценки качества сварных швов по уровню остаточных напряжений и структурной неоднородности металла. Существенную роль здесь может сыграть качество монтажа конструкции и систематический надзор за накоплением повреждений в основном металле и сварных швах, особенно в местах концентрации напряжений. Такой подход позволяет проследить зарождение и развитие усталостных повреждений, что не в состоянии сделать никакой другой массовый метод неразрушающего контроля. В работе [246] с помощью прибора КРМ-ЦК-2М установлены зависимости Нс (σ) для сварных образцов из стали 09Г2С и показана возможность контроля остаточного ресурса ответственных сварных конструкций по величине коэрцитивной силы. Для достоверного определения ресурса конструкции, подчеркивают авторы, необходимы три источника информации: диагностические данные о состоянии объекта; данные о старении материала, полученные магнитным методом, а также история нагружения объекта. При этом базовой основой для прогнозирования должна являться информация по каждому конкретному техническому объекту, полученная магнитным методом с использованием магнитных структуроскопов – коэрцитиметров.

5.5. Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния металлоконструкций при статическом нагружении

Контроль напряженно-деформированного состояния (НДС) стальных металлоконструкций является одним из определяющих факторов оценки несущей способности оборудования. В практической работе специалистам по диагностике грузоподъемных машин (ГПМ) приходится иметь дело с анизотропным материалом, находящимся в сложно-напряженном состоянии. Поэтому для полноценного анализа НДС в элементах конструкции необходимо знание характера распределения главных напряжений в контролируемой зоне и понимание роли напряжений первого, второго и третьего рода, влияющих на суммарное внутреннее напряжение в исследуемой области.

В разделе физики твердого тела, занимающимся остаточными напряжениями, начиная со структурных и фазовых напряжений на уровне дислокаций и кончая сварочными, приводящими в отдельных случаях к разрушению только что собранных конструкций, принято разделять все напряжения на 3-и рода [247].

Напряжения 3-го рода (элементарные) зависят от структуры кристаллической решетки и определяют в основном исходное состояние металла.

Напряжения 2-го рода (кристаллитные) уравновешиваются в объемах одного порядка с размерами зерен и вносят существенный вклад после прокатки и термообработки металла, т. е. при изменении формы и размера зерен и субзерен.

Напряжения 1-го рода вызваны неоднородностью силового, температурного или материального поля внутри тела и характеризуются деформацией, а также изменением физико-механических свойств при эксплуатации оборудования.

Остаточные (внутренние) напряжения (ОН) влияют на работоспособность элементов конструкции. При этом большинство остаточных напряжений являются векторными величинами. Поэтому при оценке НДС приходится учитывать не только величину, но направление их действия. Особенно важно, что напряжения 1-го и 2-го рода непосредственно связаны с несущей способностью металлоконструкции по первому предельному состоянию.

Для контроля ОН 1-го и 2-го рода чаще используется рентгеновский метод [248]. При анализе напряжений третьего рода - тензометрирование или методы фотоупругости, в т. ч. метод оптически чувствительных покрытий.

В отличие от этих локальных и трудоемких методов магнитная диагностика по коэрцитивной силе реагирует на структурную перестройку и на весь комплекс остаточных напряжений (ОМ), выявляя направление действия главных сил во всем контролируемом объеме металла. Поэтому напряжение в металле можно представить, как векторную сумму всех внутренних и внешних сил, действующих на металл в месте контроля:

, (5.14)