Плетнев С.В. Магнитное поле: свойства, применение

Подождите немного. Документ загружается.

Наиболее известны "однопараметровые" варианты магнитных НМК.

На производстве широко применяется метод, основанный на измерении

коэрцитивной силы Нc металла в точке контроля. Для его реализации разрабо-

тан целый ряд приборов — коэрцитиметров. Принцип работы таких приборов

обычно состоит в исполнении следующей последовательности операций: а)

намагничивание контролируемого участка детали накладным преобразовате-

лем, б) последующее размагничивание этого участка нарастающим полем, с)

фиксации напряженности поля, соответствующей коэрцитивной силе (это де-

лается в процесе выполения п."б").

Все современные приборы снабжены встроенными микропроцессорами,

обеспечивающими автоматический контроль по заданной программе с обр-

аботкой результатов контроля. Измерение коэрцитивной силы материала из-

делий, как правило, находится в диапазоне от 150 до 6000 А/м. Однако, это не

снимает их главный принципиальный недостаток — коэрцитивная сила одно-

временно зависит от целой гаммы физико-химических и структурных

свойств среды (твердости, предела текучести, предела прочности, темпера-

туры отпуска, химического состава, различить сорта стали, чугуна, толщину

закаленного слоя, ударную вязкость, деформационное состояние и др.). Если

все, кроме одного, факторы примерно постоянны, что бывает в пределах одной

конструкции, то коэрцитиметр позволяет выявить аномалии, часто связанные

с искомым состоянием материала. Но, если перед Вами стоит задача обследо-

вания группы конструкций или достаточно протяженного участка трубопро-

вода, то здесь коэрцитиметр может подвести. Дело в том, что коэрцитивная

сила Н

— это всего одна точка на петле гистерезиса. Свойства могут изме-

ниться так, что Н

сохранит свое значение, хотя магнитные свойства и, следо-

вательно, петля гистерезиса коренным образом будут отличаться от условий

калибровки. И в этом случае точность измерений коэрцитивной силы ни коим

образом не улучшит достоверность дефектоскопии.

Другое направление магнитного вида дефектоскопии связано с попыткой

контролировать техническое состояние конструкции по остаточной индукции

. Здесь в качестве детекторов параметров магнитного состояния металла

используют различные магниточувствительные элементы — феррозонды, дат-

чики Холла и пр. Суть заключается в том, что замечено - - в окрестности

дефекта и аномалий напряженно-деформированного состояния металла значе-

ние остаточной индукции существенно отличается от "нормального". Принцип

работы таких приборов обычно состоит в намагничивании до насыщения

контролируемого участка детали накладным преобразователем и последую-

щем размагничивании этого участка нарастающим полем и измерение ампли-

туды сигнала с датчика Холла или с помощью феррозондов, соответствующей

остаточной магнитной индукции, после размагничивания предварительно за-

данным током. В простейших приборах используют мощные постоянные маг-

ниты.

471

Этот принцип используется не только в переносных дефектоскопах, но и

на вагонах-дефектоскопах (дефектоскопия рельс) и в кроулерах — снарядах

внутритрубной диагностики.

Также, как и в вышерассмотренной группе методов, здесь есть одна "не-

приятность" -- остаточная индукция зависит одновременно от целого ряда

факторов (напряженно-деформированное состояние, физико-химический со-

став и т.д.).

Обратим внимание на то, что металл в зоне контроля непременно дол-

жен быть намагничен до насыщения! Дело в том, что в противном случае

остаточная индукция не будет метрологически обоснованной характеристикой

— ее значение будет сильно зависеть от стабильности максимального значения

намагничивающего поля. Если же намагничивающее поле превышает уровень

насыщения, то независимо от величины такого превышения значение остаточ-

ной индукции будет именно тем, каким является фактическая остаточная

индукция. По этой причине портативные варианты магнитоиндукционных

приборов следует применять с большой осторожностью.

Рис.7.1.2. Семейство симметричных петель гистерезиса

Поясним на примере. Пусть металл циклически намагничивают и размаг-

ничивают полями с возрастающим значением напряженности Н

. При этом

магнитное состояние металла будет описываться соответствующими симмет-

ричными (частными) петлями гистерезиса. Как только размах напряженности

намагничивающего поля превысит значение H

, дальнейшее увеличение на-

пряженности поля будет приводить только к удлинению "хвостов" петли гис-

терезиса. Значения коэрцитивной силы и остаточной индукции будут оставать-

ся неизменными.

Однако, не всегда эти условия могут соблюдаться. Здесь сказываются и

геометрические характеристики конструкции, и энергетические возможности

системы намагничивания, и многие другие факторы.

472

Также, как и в случае с коэрцитивной силой, возможны ситуации, когда

одно и то же значение остаточной индукции обнаруживается у материалов с

различными магнитными состояниями, то есть у материалов с разными фор-

мами петель гистерезиса. Это не удивительно, ибо остаточная индукция — это

всего лишь одна точка сложной функции. Иными словами, главный принци-

пиальный недостаток магнитоиндукционных методов состоит в том, что оста-

точная индукция одновременно зависит от целой гаммы физико-химических

и структурных свойств среды (твердости, предела текучести, предела проч-

ности, температуры отпуска, химического состава, различить сорта стали,

чугуна, толщину закаленного слоя, ударную вязкость, деформационное состо-

яние и др.). Поэтому нередки ситуации, когда магнитоиндукционные дефекто-

скопы пропускают весьма опасные дефекты. Это не вина разработчиков при-

боров или дефектоскопистов — это "природа", физика.

Здесь вполне уместно обратить внимание на неоправданный ажиотаж

вокруг так называемого "метода магнитной памяти металла" (ММПМ).

Суть ММПМ заключается в определении частной остаточной индукции

металла обследуемого участка конструкций, аномалии которой должны (по

мнению пропагандистов метода) указывать на напряженное состояние и де-

фекты. По публикациям пропагандистов этого метода следует, что частная

остаточная намагниченность металла иногда достигает 600 — 900 А/м.

Уровень частной остаточной индукции первоначально формируется в

случайном магнитном поле в месте, где участок конструкции остыл ниже

точки Кюри, например, после термического разогрева при сварочных работах.

Почему "в случайном" магнитном поле" Дело в том, что магнитное поле Земли

варьирует в широких пределах в зависимости от долготы и широты. В окрест-

ностях некоторых дефектов и зон с остаточной пластической деформацией

возникают незначительные аномалии намагниченности металла. Для дальней-

шего изменения намагниченности металла требуется внешняя энергия. Маг-

нитного поля Земли для этого недостаточно. Однако в производственных

условиях еще сильнее, чем от географических координат, магнитное поле

изменяется от технологических местных условий — мощные линии электро-

передач, сварочные аппараты, трансформаторы...

Как правило, именно эти, местные магнитные условия - не известны.

Стало быть распределение параметров намагниченности металла в дефектных

и бездефектных участках изначально является случайным: различие в намагни-

ченности дефектных и бездефектных участков есть, но уровни намагниченнос-

ти полностью зависят от местных условий. Кроме того, как мы показали выше,

частная остаточная индукция зависит от текущего значения механического

напряжения.

Наконец, такая ситуация. Труба изготовлена в заводских условиях где-ни-

будь в Саратове, а сварку осуществляли в Салехарде. Тут и магнитные поля

Земли существенно различны, да и промышленные условия не совпадают. Вот

и получается, что магнитное состояние основного металла сформировано в

473

одних условиях, а околошовная зона перемагнитилась совсем в других усло-

виях.

То есть значение частной остаточной индукции может варьировать (по

абсолютному значению) от нуля до истинной остаточной индукции. Стало

быть, это не может быть метрологически достоверной характеристикой (в

целях измерения параметров напряженного состояния и т.п.). Поэтому, сохра-

няя все недостатки традиционных вариантов магнитоиндукционной дефекто-

скопии, "метод магнитной памяти" привносит целый букет неопределеннос-

тей. Не случайно в паспортах таких приборов, именуемых как "Измеритель

механических напряжений" и др., указывают показатели магнитоизмеритель-

ных приборов, а не, собственно, измерителей механических напряжений.

Вместе с тем, этот частный случай магнитоиндукционных методов вполне

интересен для использования на стадиях предварительных обследований кон-

струкций в качестве ИНДИКАТОРА развитых особо опасных дефектов и мест

с закритическим состоянием металла.

7.2. Методы неразрушающего контроля и диагностики

трубопроводов на основе эффекта Баркгаузена

Итак, об усиленно пропагандируемой дефектоскопии средствами на осно-

ве эффекта Баркгаузена. Сегодня это, прежде всего, приборы типа замечатель-

ные StressScan и PollScan.

Суть физики процесса в следующем.

Ферромагнитные материалы состоят из намагниченных продолговатых

микрообластей, которые называют доменами. Если участок металла намагни-

чивать, то размеры и направления доменов изменяются. Эти изменения проис-

ходят скачками — домены "сопротивляются" внешним воздействиям. Чтобы

скачок произошел, нужна некая внешняя сила. Эту силу можно привнести либо

увеличивая магнитное поле, либо иным способом, например, механическим —

нагружая материал.

Из-за этого число скачков зависит от величины магнитного поля и напря-

жения, которое испытывает металл.

Как только происходит скачок, то из-за микроизменения магнитного со-

стояния доменной области рождается электромагнитная волна. Ее можно за-

регистрировать общеизвестными способами. Чаще всего для этого используют

катушку индуктивности. С ее помощью акт свершения скачка преображается

в электрический импульс. Ну, а дальше не составит труда выполнить подсчет

таких электрических импульсов. Щелчков много, металл как бы "шумит".

Такие электрические импульсы были названы в честь их первооткрывателя —

шумом Баркгаузена.

Магнитное поле можно достаточно точно задать с помощью электромаг-

нита. Если теперь взять образец металла, закрепить его в разрывной машине и

начать нагружение металла образца (то есть изменять напряженное состояние

металла), то прибором можно будет определить сколько щелчков регистриру-

474

ется при каждом уровне механического напряжения и при каждом уровне

магнитного поля.

После этого, поместив прибор на контролируемом изделии можно изме-

рить сколько будет щелчков при заданном уровне намагничивания металла. В

простейших устройствах количество щелчков преобразуют в амплитуду реги-

стрируемого сигнала. В материала, имеющих "положительную магнитную

анизотропию" (железо, кобальт, стали),при сжатии металла интенсивность

шума Баркгаузена снижается, а при растяжении — увеличивается.

Именно этот эффект используется в приборах StressScan 500C и PollScan-

200. Время измерения (без обработки) в одной точке до 2 секунд (в рекламных

материалах объявляют время в 10 раз меньшее). Это вполне приемлимо для

практики.

Однако, этот метод, прекрасный для лабораторных условий и высокотех-

нологичных производств, не может применяться на трубах магистральных

трубопроводов, при контроле стальных резервуаров, мостовых конструкций,

в судостроении и пр.

Электромагнитная волна, проявляемая в виде щелчков Баркгаузена, доста-

точно высокочастотная. Из-за этого она не может выйти из слоя металла с

глубины более 0,2 мм (в лабораторных условиях с большим трудом ее можно

зарегистрировать для глубин менее 2,0 мм!). Что творится в более глубоких

слоях — останется "тайной".

Щелчкам Баргаузена присущ эффект, подобный эффекту Кайзера в акус-

тической эмиссии: если металл ранее был нагружен до некоторого напряжен-

ного состояния, то при повторном нагружении того же уровня щелчки не будут

зарегистрированы, пока это механическое напряжение не будет превзойдено.

Поэтому, если трубопровод прошел стадию "опрессовки" давлением, более

высоким, чем рабочее давление, то зарегистрированный шум не будет отра-

жать характеристику фактического напряженного состояния. На показания

приборов, основанных на эффекте Баркгаузена, влияет магнитоупругий гисте-

резис, то есть предыстория напряженного состояния конструкции и многие

другие факторы, "убийственные" и для вихретоковых приборов, и для прибо-

ров на основе "магнитной памяти" и других (кроме приборов "Комплекс-

2.05"!).

На показания прибора влияет состояние поверхностного слоя металла

("зоны наклепа"), где напряжения превышают напряжения основного металла

в тысячи раз. Прибор учитывает состояние металла в слоях всего лишь до 0,2

мм, то есть как раз из "зоны наклепа".

Результаты измерений надо дополнительно подвергать сложной матема-

тической обработке. Это влечет за собой расходы на приобретение специаль-

ного (!) вычислительного оборудования, занимающего целый салон (фургон)

автомобиля Mersedes, на обучение и содержание дополнительного штата вы-

сококвалифицированных специалистов по обработке данных и т.д.

Карты концентраторов напряжений, а тем более, консультаций, эти при-

боры "напрямую" не дают — надо подождать, пока дополнительно поработает

475

персонал вычислителей, да металловедов-прочнистов, да расчетчиков...., тогда

карта будет, но без комментариев, подобных тем, что приходят с картами на

дисплей при работе с прибором "Комплекс-2.05", к тому же "расчетная" карта,

а не "фактическая".

Из всего представленного не должно сложиться чисто отрицательное

отношение к этому методу — каждый метод имеет достинства и недостатки.

Но достоинства проявляются в области применимости метода. Просто для

трубопроводов, резервуаров и сосудов высокого давления сегодня этот метод

еще сложно использовать.

7.3. Метод Магнитной Памяти Металла

Традиционные методы и средства диагностики (УЗД, МПД, рентген) на-

правлены на поиск уже развитых дефектов и по своему назначению не могут

предотвратить внезапные усталостные повреждения оборудования — основ-

ные причины аварий и источники травматизма обслуживающего персонала.

Известно, что основными источниками возникновения повреждений в

работающих конструкциях являются зоны концентрации напряжений (КН), в

которых процессы коррозии, усталости и ползучести развиваются наиболее

интенсивно. Следовательно, определение зон КН является одной из важней-

ших задач диагностики оборудования и конструкций.

Процессами, предшествующими эксплуатационному повреждению, явля-

ются изменения свойств металла (коррозия, усталость, ползучесть) в зонах

концентрации напряжений. Соответственно, изменяется намагниченность ме-

талла, отражающая фактическое напряжённо-деформированное состояние

трубопроводов, оборудования и конструкций.

В настоящее время в России разработан и успешно внедряется на практике

принципиально новый метод диагностики оборудования и конструкций, осно-

ванный на использовании магнитной памяти металла (ММП). ММП объединя-

ет потенциальные возможности неразрушающего контроля (НК) и механики

разрушений, вследствие чего, имеет ряд существенных преимуществ перед

другими методами при контроле промышленных объектов.

Основные практические преимущества нового метода диагностики, по

сравнению с известными магнитными и другими традиционными методами

неразрушающего контроля (НК), следующие:

- применение метода не требует специальных намагничивающих уст-

ройств, так как используется явление намагничивания узлов оборудования и

конструкций в процессе их работы;

- места концентрации напряжений от рабочих нагрузок, заранее не извест-

ные, определяются в процессе их контроля;

- зачистки металла и другой какой-либо подготовки контролируемой по-

верхности не требуется;

476

- для выполнения контроля по предлагаемому методу используются при-

боры, имеющие малые габариты, автономное питание и регистрирующие уст-

ройства;

- специальные сканирующие устройства позволяют контролировать тру-

бопроводы, сосуды, оборудование в режиме экспресс — контроля со скорос-

тью 100 м/час и более.

ММП является наиболее пригодным для практики методом НК при оценке

фактического напряженно-деформированного состояния. Поэтому использо-

вание нового метода диагностики наиболее эффективно для ресурсной оценки

узлов оборудования.

Предлагаемый метод диагностики, основанный на использовании магнит-

ной памяти металла, позволяет выполнить интегральную оценку состояния

узла с учётом качества металла, фактических условий эксплуатации и кон-

структивных особенности узла.

Основная задача ММП - - определение на объекте контроля наиболее

опасных участков и узлов, характеризующихся зонами КН. Затем, с использо-

ванием, например, УЗД в зонах КН определяется наличие конкретного дефек-

та. На основе поверочного расчёта на прочность наиболее напряжённых узлов,

выявленных ММП, выполняется оценка реального ресурса оборудования.

Кроме того, ММП и соответствующие приборы контроля позволяют:

- выполнять раннюю диагностику усталостных повреждений и прогнози-

ровать надёжность оборудования;

- документировать результаты контроля и составлять банк данных о со-

стоянии оборудования;

- осуществлять экспресс-сортировку новых и старых деталей по их пред-

расположенности к повреждениям;

- определять на объекте контроля с точностью до 1 мм место и направле-

ние развития будущей трещины, а также фиксировать уже образовавшиеся

трещины;

- в отдельных случаях контролировать трубопроводы, сосуды без снятия

изоляции.

Что же принципиально нового в предложенном методе контроля?

Из анализа известных магнитных методов вытекают следующие обяза-

тельные условия их применения. Во-первых, обязательно используются намаг-

ничивающие устройства, и, во-вторых, известные магнитные методы могут

применяться эффективно лишь при условии, что места концентрации напря-

жений и дефектов в объекте контроля заранее известны. Кроме того, известные

магнитные методы контроля, как правило, требуют зачистки металла и других

подготовительных операций. Очевидно, что использование традиционных

магнитных методов контроля в протяжённых конструкциях и на оборудовании

при таких условиях практически невозможно. Например, специально намагни-

тить трубную систему, общая протяжённость которой на современном энерге-

тическом котле достигает 500 км, задача нереальная. Знать заранее места

концентрации напряжений (основные источники развития повреждений) на

477

каждой трубе котла не представляется возможным из-за влияния на их обра-

зование различных технологических, конструкционных и эксплуатационных

факторов.

В тоже время известно, что большинство металлоконструкций и оборудо-

вания, изготовленных из ферромагнитных материалов, под действием рабочих

нагрузок подвержены "самонамагничиванию" в магнитном поле Земли.

На рисунке показана схема проявления магнитоупругого эффекта, вызы-

вающего рост остаточной индукции (ΔВr — изменение остаточной индукции;

Да — изменение циклической нагрузки; Нe — внешнее магнитное поле). Если

в каком-то месте конструкции действует циклическая нагрузка ", и есть внеш-

нее магнитное поле (например, поле Земли), то в этом месте происходит рост

остаточной индукции и остаточной намагниченности.

С явлением "самонамагничивания" оборудования и конструкций повсе-

местно борются (судостроение, энергетика, шарикоподшипниковая и другие

отрасли). Изучив это явление намагничивания на примере работы котельных

труб, было впервые предложено использовать его для целей технической

диагностики. При "самонамагничивании" оборудования и конструкций прояв-

ляются различные эффекты магнитострикции. Однако, используется при

новом методе контроля последействие (во всех разновидностях эффектов маг-

нитострикции), которое проявляется в виде магнитной памяти металла к фак-

тическим деформациям и структурным изменениям в металле оборудования.

Магнитная память металла — необратимое изменение намагниченности,

обусловленное напряжениями, превышающими средний уровень внутренних

напряжений, возникающими на объекте контроля под действием рабочих на-

грузок в слабом магнитном поле Земли. Для деталей машин и сварных соеди-

нений магнитная память металла проявляется в виде остаточной намагничен-

ности, сформировавшейся после изготовления и охлаждения в магнитном поле

Земли и отображающей их структурную и технологическую наследственность.

478

Метод магнитной памяти металла — метод неразрушающего контроля,

основанный на регистрации собственных магнитных полей рассеяния (СМПР),

возникающих на оборудовании в зонах концентрации напряжений под дейст-

вием рабочих нагрузок в магнитном поле Земли. Ни при каких условиях с

искусственным намагничиванием в работающих конструкциях такой источ-

ник информации, как собственное магнитное поле рассеяния, возникающее на

скоплениях дислокаций в зонах КН, получить невозможно. Только в малом

внешнем поле, каким является магнитное поле Земли, в нагруженных кон-

струкциях, когда энергия деформации намного превосходит энергию внешне-

го магнитного поля, такая информация формируется и может быть получена.

Для отдельных деталей и изделий, а также для сварных соединений ММП

основан на регистрации СМПР, возникающих в зонах концентрации остаточ-

ных напряжений после их изготовления и охлаждения в магнитном поле Земли.

В процессе изготовления любых ферромагнитных изделий (плавка, ковка,

термическая и механическая обработка) механизм возникновения реальной

магнитной текстуры происходит одновременно с кристаллизацией при охлаж-

дении, как правило, в магнитном поле Земли. В местах наибольшей концент-

рации дефектов кристаллической решётки (например, скоплений дислокаций)

и неоднородностей структуры образуются узлы закрепления доменных стенок

с выходом на поверхность изделия в виде линий смены знака магнитного поля

рассеяния Н

. При этом линия Н

=0 соответствует сечению детали с макси-

мальным магнитным сопротивлением и характеризует зону максимальной

неоднородности структуры металла и, соответственно, зону максимальной

концентрации внутренних напряжений (ЗКН).

В настоящее время в энергетике, химической, нефтехимической, нефтега-

зоперерабатывающей, нефтяной, газовой и в других отраслях промышленнос-

ти России разработаны и применяются на практике более 20-и руководящих

документов и методик контроля. Проведён комплекс исследований по теоре-

тическому обоснованию метода в содружестве с рядом институтов России.

Разработаны количественные и качественные критерии, позволяющие осу-

ществлять раннюю диагностику усталостных повреждений оборудования -

методики контроля с использованием ММП.

Многолетний опыт исследования магнитных полей на котельных и паро-

проводных трубах выявил наличие устойчивых линий смены знака нормаль-

ной составляющей напряжённости магнитного поля Н

в зонах развивающихся

повреждений металла. Именно этот диагностический параметр (линия Н

=0)

был положен в основу методик контроля оборудования. Интерпретация этого

диагностического магнитного параметра, как линии главных напряжений, воз-

никающей на поверхности труб под действием рабочих нагрузок, дана в спе-

циальной работе.

В период времени с 1990 по 2000 годы специалистами ООО "Энергодиаг-

ностика" выполнены промышленные исследования с оценкой состояния более

300 паровых и водогрейных котлов, более 200 паровых и газовых турбин, более

200 сосудов и аппаратов, более 100 км трубопроводов различного технологи-

479

ческого назначения; выполнен контроль качества изделии машиностроения

более чем на 50-ти заводах и фирмах в России и в других странах, эксперимен-

тальный контроль рельс и колесных пар на предприятиях железнодорожного

транспорта, мостовых конструкций, грузоподъёмных механизмов и других

технических объектов.

Подготовлены два проекта ГОСТов:

Метод магнитной памяти металла. Термины, определения и обозначения.

Методика отбора представительных проб и образцов для механических,

структурных и технологических испытаний с использованием магнитной па-

мяти металла.

Значительный опыт промышленных и лабораторных исследований, нали-

чие методик, руководящих документов, научно-технических отчётов позволи-

ли разработать нормативно-техническую документацию (НТД) по аттестации

метода магнитной памяти металла, приборов контроля и персонала. В НТД,

кроме методик и РД, входят: требования к техническим знаниям специалистов,

изучающих ММП; программа обучения специалистов I, II, и III уровней (со-

гласована с Госгортехнадзором России); паспорта и технические условия на

приборы контроля; правила эксплуатации, методики поверки и испытаний

приборов контроля; руководство пользователя программным продуктом для

обработки результатов контроля на ЭВМ; учебное пособие.

Литература

А.А.Дубов А.С. 2029263. Патент России и стран СНГ. Способ определения

остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов. Бюлле-

тень изобретений, №5, 1995.

Материалы первой международной научно-технической конференции:

"Диагностика оборудования и конструкций с использованием магнитной па-

мяти металла". Доклады и тезисы докладов. Москва: Энергодиагностика, 1999.

А.А.Дубов. Диагностика котельных труб с использованием магнитной па-

мяти металла. Москва: Энергоатомиздат, 1995.

А.А.Дубов. Диагностика турбинного оборудования с использованием маг-

нитной памяти металла. Москва: Энергодиагностика, 1999.

А.А.Дубов. Диагностика трубопроводов, оборудования и конструкций с

использованием магнитной памяти металла. Сборник статей и докладов. Мос-

ква: Энергодиагностика, 1999.

А.А.Дубов. Исследование свойств металла с использованием метода маг-

нитной памяти // Металловедение и термическая обработка, №9, 1997.

А.А.Дубов. Экспресс-метод контроля сварочных напряжений // Сварочное

производство, №11, 1996.

А.А.Дубов. Диагностика усталостных повреждений рельс с использовани-

ем магнитной памяти металла // В мире неразрушающего контроля, №5, 1999.

480