Оценка, прогнозирование и управление рисками грузо-подъемных машин критериями магнитного контроля (стр. 1 )

5. Оценка, прогнозирование и управление рисками грузоподъемных машин критериями магнитного контроля

5.1. Общие положения

Безопасность грузоподъемных машин, в том числе после истечения нормативного срока службы, связана с конструктивными особенностями, качеством изготовления, монтажа, режимами их эксплуатации и рядом других факторов. Однако для тяжело нагруженных грузоподъемных машин основным техническим препятствием для безопасной эксплуатации становится усталость металла. Широко используемые в настоящие время методы неразрушающего контроля – ультразвуковой, рентгеноскопия, капиллярный и др., к сожалению, не позволяют дать количественную оценку структурных изменений в металле и определить напряженно-деформированное состояние металлоконструкций. Эти методы решают задачу обнаружения уже сформировавшихся в процессе изготовления или эксплуатации локальных дефектов. Фактически вступая в противоречие с механикой разрушения, устанавливающей размеры допустимых неразвивающихся дефектов и определяющей параметры вязкости разрушения и ресурса материалов с трещинами.

Все процессы образования и развития дефектов носят вероятностный характер. Дефекты в конструкциях грузоподъемных машин часто наследуются при производстве металлопродукции или появляются на стадии сборки и монтажа конструкции. При эксплуатации – это следствие нарушений паспортных режимов и неквалифицированный ремонт несущих элементов. Строго говоря, бездефектных металлоконструкций вообще не бывает, а наличие дефектов далеко не всегда приводит к аварии. По статистике Ростехнадзора в авариях чаще виноват человеческий фактор, чем разрушение элементов конструкции. Тем не менее, наиболее тяжелые случаи это результат техногенных катастроф, связанных с разрушением металлоконструкций.

По данным Ростехнадзора на территории Российской Федерации находятся в эксплуатации около 300 тысяч регистрируемых грузоподъемных машин, из которых практически 85% отработали нормативный срок службы. Быстрой замены оборудования ожидать не приходится. Отсюда возникает проблема ранжирования и выбраковки устаревшего оборудования по его техническому состоянию. Применение критериев магнитного контроля и статистический подход к решению этой проблемы может оказаться чрезвычайно полезным. Магнитный контроль по коэрцитивной силе расширяет возможности неразрушающего контроля металлоконструкций за счет контроля над накоплением рассеянных повреждений и перехода металла в упруго-пластическое состояние. Использование данных об исходном состоянии несущих элементов кранов позволяет ставить начальные условия при управлении промышленной безопасностью грузоподъемных машин и решении задачи прогнозирования остаточного ресурса грузоподъемных машин.

5.2. Физические основы магнитного контроля металлоконструкций грузоподъемных машин

Выбор метода диагностики технического состояния металлоконструкций из малоуглеродистых и низколегированных сталей должен определяться, как минимум, двумя факторами: наличием физически обоснованных параметров контроля и аппаратурным обеспечением, позволяющим осуществлять контроль с требуемой точностью и воспроизводимостью.

Для контроля ферромагнитных материалов ГОСТ 18353-79 рекомендует применять в качестве первичного информативного магнитного параметра величину коэрцитивной силы Нс, а количественную оценку состояния металла производить с помощью приборов на основе датчиков Холла. Такие приборы относятся к классу магнитных коэрцитиметров. А если они выполняют функции контроля структуры металла, то их называют магнитными анализаторами или структуроскопами.

За сто лет существования магнитного метода в России сформировалось научное направление, обосновавшее возможность контроля физико-механических свойств ферромагнитных материалов на протяжении всего срока существования оборудования, начиная с этапа его производства, включая контроль деградации свойств при эксплуатации и заканчивая утилизацией оборудования [208, 209, 210]. И, хотя до сих пор нет единой теории магнетизма, экспериментально-аналитическая база для решения прямых и обратных задач по технической диагностике оборудования, работающего при длительных статических и циклических нагрузках, создана и имеет нормативное обеспечение в виде Межгосударственного стандарта ГОСТ 30415-96 и Методических указаний РД ИКЦ «Кран» 007-97-02 [211, 212]. Аппаратурное обеспечение магнитного контроля – коэрцитиметр КРМ-ЦК-2М, разработанный НПФ «СНР» и МНПО «СПЕКТР».

Коэрцитивная сила Нс была выбрана в качестве основного измеряемого параметра так как она чувствительна к изменениям в тонкой структуре металла (электроны, решетка, домены, дислокации) и на основе анализа полной петли магнитного гистерезиса позволяет контролировать физико-механические свойства (твердость, пределы прочности и текучести, накопление повреждений, пластическую деформацию) [213, 214, 215], т. е. Нс отражает состояние контролируемого ферромагнитного материала в реальном масштабе времени.

В ферромагнетике под действием магнитного поля Н создается такая намагниченность М, которая в десятки и сотни раз превышает намагничивающее поле. Эта способность сохраняется до температуры Кюри (у железа – 768°С, у никеля – 358°С). Магнитная индукция:

, (5.1)

где: μО – относительная магнитная проницаемость, при насыщении в процессе циклического перемагничивания достигает значения ВSмах, которое можно уменьшить до В=0 при приложении размагничивающего поля Нс.

На рис. 5.1а изображена полная (предельная) петля магнитного гистерезиса и величина Нс.

Рис. 5.1. Магнитная и деформационная петли гистерезиса при малоцикловой усталости

По определению, коэрцитивной силой называют величину напряженности размагничивающего поля, которое должно быть приложено, чтобы полностью размагнитить металл. Размерность выражается в А/м или А/см. Последняя размерность чаще используется в отечественной практике магнитного контроля как при построении корреляционных зависимостей, так и в измерительной технике.

В основе описания состояния кристаллической структуры ферромагнетика лежит доменная структура. Области с самопроизвольной намагниченностью называются доменами. С позиции квантовой механики ориентация доменов при определенном внешнем магнитном поле соответствует минимуму энергии.

Основные виды энергии в ферромагнетиках: энергия кристаллографической магнитной анизотропии (например, легкое скольжение в процессе микропластической деформации), магнитоупругая энергия (связана с изменением линейных размеров, возникает под действием напряжений и пропорциональна их величине и магнитострикции) и магнитостатическая энергия, как результат воздействия однородного магнитного поля земли. В результате, на ферромагнитный материал одновременно действуют поле земли, внешние напряжения и деформации, а также изменения кристаллической структуры, Баркгаузен, Акулов и Битнер установили, что минимуму полной энергии соответствует состояние, когда наличие вблизи поверхности трехгранных областей (направление намагниченности в которых перпендикулярно оси легкого намагничивания) вызывает увеличение энергии магнитной анизотропии , но приводит к образованию замкнутой магнитной цепи, что уменьшает магнитостатическую энергию , рис. 5.2а.

Рис. 5.2а. Уменьшение магнитостатической энергии вследствие разбиения ферромагнитного тела на домены.

Более детальные исследования показали, что энергетически более выгодным является образование клинообразных областей, как показано на рис.5.2б [216].

На рис.5.3 наглядно представлено изменение порошковых фигур в кристалле (110) железа с 3% кремния при увеличении поля до насыщения (а-д) и последующем уменьшении поля до нуля (д-и). Такие же процессы перемагничивания при воздействии внешних сил имеют место в металле, подвергаемом статическому и циклическому нагружению.

Рис. 5.2б. Схема изменения ориентации атомных моментов внутри 180‑градусной доменной границы

Сформировавшаяся в результате доменная структура воспринимает энергетическое воздействие внешних сил и формирует поле, отражающее определенную степень намагниченности, которое характеризуется величиной коэрцитивной силы и минимумом потенциальной энергии металла.

Поэтому, определяя значения в конкретном месте металлоконструкции, мы получаем информацию не только о магнитной доменной структуре, но и о запасе механической энергии, обеспечивающей работоспособность конструкции.

Процесс восстановления прочностных характеристик материала по результатам неразрушающего контроля структурных параметров называется решением обратной задачи. Подавляющее большинство таких задач решается с помощью построения экспериментальных зависимостей и статистической обработки так называемых номограмм.

Рис. 5.3. Изменение порошковых фигур в кристалле (110) Fe – 3% Si, магнитное поле направлено по [207], а‑д – увеличение поля до насыщения, д‑и – уменьшение поля до нуля

Базой для создания таких номограмм стал анализ механических и магнитных свойств конструкционных сталей на основе построения диаграмм нагружения.