Способ контроля напряженно-деформированного состояния изделия по магнитным полям рассеяния

 

Изобретение относится к способам контроля напряженно-деформированного состояния изделия по остаточной намагничиваемости материала, например для контроля остаточных сварочных деформаций и напряжений. Предложенный способ заключается в измерении нормальной составляющей напряженности магнитного поля в равноотстоящих друг от друга по каждому каналу измерений точках, определении соответствующих градиентов и вычислении соответствующих магнитных показателей по средневзвешенным и максимальным значениям градиентов нормальной составляющей напряженности магнитного поля в каждом канале измерений и между данными каналами. Полученные магнитные показатели сравниваются с критическим магнитным показателем, определяемым как отношение градиентов нормальной составляющей напряженности магнитного поля, соответствующих пределам прочности и текучести образца исследуемого материала соответственно. Также определяется предельное время эксплуатации диагностируемого изделия. Данный способ направлен на расширение функциональных возможностей и увеличение арсенала средств определения количественного и качественного состояния изделия при уменьшении трудоемкости определения годных к эксплуатации изделий. 1 табл., 6 ил.

Изобретение относится к способам контроля напряженно-деформированного состояния изделия по остаточной намагниченности материала и может быть использовано в различных отраслях промышленности: в энергетике - для контроля технического состояния трубопроводных систем и вращающихся механизмов; в нефтяной и газовой промышленности - для контроля газо- и нефтепродуктов и сосудов; в железнодорожном транспорте, на машиностроительных производствах - для контроля остаточных напряжений в изделиях после их изготовления, в том числе для контроля остаточных сварочных деформаций и напряжений.

Известен способ контроля напряженно-деформированного состояния изделия по магнитным полям рассеяния, включающий измерение нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля на поверхности изделия одновременно в двух точках на концах зафиксированного по длине l_b отрезка линии, последующее измерение нормальной составляющей Н_р одновременно в двух точках на концах зафиксированного по длине l_b отрезка линии, компланарно отстоящего вдоль поверхности изделия на расстояние l_k от первоначального отрезка, измерение нормальной составляющей Н_р в двух точках на концах зафиксированного по длине l_b отрезка на равных расстояниях l_k от каждого предыдущего отрезка измерения, соблюдая компланарность отрезков измерений, определение градиентов величин нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля в двух точках на концах зафиксированных по длине отрезков l_b и l_k, сравнение упомянутых градиентов и определение по максимальному значению одного из упомянутых градиентов зоны максимальной деформации (Международная заявка РСТ WО 99/02982, G 01 L 1/12, опубл. 1999 г.) [1].

Этот способ позволяет уменьшить продолжительность проведения измерений за счет исключения фиксирования линии с нулевым значением напряженности магнитного поля, но в то же время позволяет выявить зоны максимальной концентрации напряжений и деформации.

Ограничениями способа являются возможность его использования только для изделий из ферромагнитного материала; выявление только зон максимальной концентрации напряжений и деформации изделия при отсутствии определения количественного и качественного состояния материала изделия и самого изделия в целом. Так, за счет использования известного способа нельзя определить, может ли изделие продолжать находиться в эксплуатации или оно находится в состоянии, близком к его разрушению.

Наиболее близким является способ контроля напряженно-деформированного состояния изделия по магнитным полям рассеяния, включающий измерение нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля на поверхности изделия одновременно в двух точках на концах зафиксированного по длине l_b отрезка линии, последующее измерение нормальной составляющей Н_р одновременно в двух точках на концах зафиксированного по длине l_b отрезка линии, компланарно отстоящего вдоль поверхности изделия на расстояние l_k от первоначального отрезка, измерение нормальной составляющей Н_р в двух точках на концах зафиксированного по длине l_b отрезка на равных расстояниях l_k от каждого предыдущего отрезка измерения, соблюдая компланарность отрезков измерений, определение градиентов величин нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля в двух точках на концах зафиксированных по длине отрезков l_b и l_k, сравнение упомянутых градиентов и определение по максимальному значению одного из упомянутых градиентов зоны максимальной деформации, при этом дополнительно определяют для материала образца изделия магнитный показатель m_пр статического и/или циклического деформационного упрочнения, для чего измеряют градиент K_в = |ΔH_p|/1_k, соответствующий пределу прочности, и градиент K_т = |ΔH_p|/1_k, соответствующий пределу текучести на поверхности образца изделия в условиях статического и/или циклического нагружения, определяют m_пр путем деления К_в на К_т, а измерение нормальной составляющей Н_р вдоль поверхности изделия проводят по меньшей мере по двум каналам измерений с фиксированием расстояния l_b между соседними каналами измерений, при определении градиентов величин нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля в двух точках на концах зафиксированных по длине отрезков l_b и l_k, определяют средневзвешенные градиенты по двум каналам измерений где К¹ср, К²ср - средневзвешенные значения градиента поля соответственно по первому и второму каналу измерений в точках на концах зафиксированных по длине отрезков l_k, а К^bср - средневзвешенные значения градиента поля в точках на концах зафиксированного по длине отрезка l_b, |ΔHⁱ_p| - изменение нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля в двух точках на концах зафиксированных по длине отрезков l_k, |ΔH^j_p| - изменение нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля в двух точках на концах зафиксированных по длине отрезков l_b, n - общее количество зафиксированных отрезков l_k (i=1, 2....n), r - общее количество зафиксированных по длине отрезков 1_b (j=1, 2....r), выделяют по каждому каналу измерений максимальные средневзвешенные значения градиента поля соответственно К¹mах, К²mах, К^bmах и вычисляют отношения



сравнивают m₁, m₂, m_b с магнитным показателем m_пр и определяют зону, в которой одно из отношений m₁, m₂, m_b равно или превышает m_пр, являющейся зоной предельного состояния материала изделия, соответствующей состоянию предразрушения. (Патент Российской Федерации 2173838, G 01 L 1/12, опубл. 2001 г.) [2].

В этом способе для повышения точности измерений количество каналов измерений может быть выбрано больше двух.

Под воздействием пластической деформации в ферромагнитных и парамагнитных материалах возникают скопления дислокации в зонах КН. Например, установлено, что в аустенитных сталях под действием циклических нагрузок в зонах КН возникают ферромагнитные мартенситы, которые дают информацию о накопленной пластической деформации в этих зонах. При этом на скоплениях дислокации в магнитной поле Земли возникает собственное магнитное поле рассеяния (СМПР), фиксируемое магнитометрами.

Преимуществами этого способа перед предыдущим являются обеспечение возможности применения способа как для изделий из ферромагнитного материала, так и для изготовленных из парамагнитного материала; возможность определения состояния материала изделия, т. е. удается выявить изделия, находящиеся в состоянии, предшествующем разрушению.

Ограничением известного способа является невозможность оценки ресурса изделия по измеренным этим способом параметрам, т.е. какое изделие может быть допущено к дальнейшей работе, а какое необходимо исключить из эксплуатации. Так для определения ресурса изделия в описании к этому способу дополнительно предлагается взятие представительных проб металла изделия и определение фактического напряженно-деформированного состояния (НДС) путем измерения уровня напряжений от рабочих нагрузок (или остаточных напряжений после снятия нагрузок). Для этого после того как определена зона КН, в этой зоне предлагается брать пробу металла (например, путем взятия "реплики" для структурного анализа) по линии КН с максимальным значением градиента К_mах, превышающими К_ср с соотношением m_пр, а для оценки уровня фактических напряжений (рабочих или остаточных) выполнять измерение другими приборами неразрушающего контроля (НК), позволяющими измерить их величину (например, с использованием рентгена, ультразвука, эффекта Баркгаузена и прочее). Однако понятно, что проведение упомянутых технологических операций для определения ресурса изделия резко повышает трудоемкость известного способа при оценке ресурса изделия.

Решаемая изобретением задача - расширение функциональных возможностей и увеличение арсенала средств определения количественного и качественного состояния изделия при уменьшении трудоемкости определения годных к эксплуатации изделий.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении способа, - обеспечение возможности определения предельного времени эксплуатации изделия и его остаточного ресурса времени по измеренным непосредственно этим способом параметрам.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном способе контроля напряженно-деформированного состояния изделия по магнитным полям рассеяния, включающем измерение нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля на поверхности изделия одновременно в двух точках на концах зафиксированного по длине l_b отрезка линии, последующее измерение нормальной составляющей Н_р одновременно в двух точках на концах зафиксированного по длине l_b отрезка линии, компланарно отстоящего вдоль поверхности изделия на расстояние l_k от первоначального отрезка, измерение нормальной составляющей Н_р в двух точках на концах зафиксированного по длине l_b отрезка на равных расстояниях l_k от каждого предыдущего отрезка измерения, соблюдая компланарность отрезков измерений, определение градиентов величин нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля в двух точках на концах зафиксированных по длине отрезков l_b и l_k, сравнение упомянутых градиентов и определение по максимальному значению одного из упомянутых градиентов зоны максимальной деформации, при этом дополнительно определяют для материала образца изделия магнитный показатель m_пр статического и/или циклического деформационного упрочнения, для чего измеряют градиент K_в = |ΔH_p|/1_k, соответствующий пределу прочности, и градиент K_т = |ΔH_p|/1_k, соответствующий пределу текучести на поверхности образца изделия в условиях статического и/или циклического нагружения, определяют m_пр путем деления К_в на К_т, а измерение нормальной составляющей Н_р вдоль поверхности изделия проводят по меньшей мере по двум каналам измерений с фиксированием расстояния l_b между соседними каналами измерений, при определении градиентов величин нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля в двух точках на концах зафиксированных по длине отрезков l_b и l_k, определяют средневзвешенные градиенты по двум каналам измерений



где К¹ср, К²ср - средневзвешенные значения градиента поля соответственно по первому и второму каналу измерений в точках на концах зафиксированных по длине отрезков l_k, а К ^bср - средневзвешенные значения градиента поля в точках на концах зафиксированного по длине отрезка l_b,
|ΔHⁱ_p| - изменение нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля в двух точках на концах зафиксированных по длине отрезков l_k,
|ΔH^j_p| - изменение нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля в двух точках на концах зафиксированных по длине отрезков l_b,
n - общее количество зафиксированных отрезков l_k (i=1, 2....n),
r - общее количество зафиксированных по длине отрезков 1_b (j=1, 2....r),
выделяют по каждому каналу измерений максимальные средневзвешенные значения градиента поля соответственно К¹max, К²max, К^bmax и вычисляют отношения

сравнивают m₁, m₂, m_b с магнитным показателем m_пр и определяют зону, в которой одно из отношений m₁, m₂, m_b равно или превышает m_пр, являющейся зоной предельного состояния материала изделия, соответствующей состоянию предразрушения, согласно изобретению дополнительно определяют показатели деформационной способности материала изделия d₁, d₂, d_b и d_пр, равные соответственно при этом если показатели деформационной способности материала изделия d₁, d₂, d_b больше или равны d_пр, то изделие выводят из эксплуатации, а если показатели деформационной способности d₁, d₂, d_b меньше d_пр, то определяют отношения Lk, где k=1, 2, 3 - текущий индекс, показателей деформационной способности материала изделия L₁=d_пр/d₁, L₂=d_пр/d₂, L₃=d_пр/d_b, выбирают из этих отношений показателей деформационной способности материала изделия такое отношение Lk_min, величина которого минимальна, и определяют предельное время t_пр эксплуатации изделия t_пр = Lk_min•T, где Т - длительность периода наработки изделия до даты измерения нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля.

Для повышения точности возможен дополнительный вариант осуществления способа, в котором количество каналов измерений выбирают больше двух.

За счет выявления упомянутых показателей деформационной способности материала изделия и сравнения их с показателем _пр, связанным с измеренным известным способом показателем m_пр, определяют остаточный ресурс материала изделия в зонах концентрации напряжений (КН). При этом для каждой зоны КН выбирают максимальное значение одного из показателей d₁, d₂, d_b, например для реального изделия оказывается, что d₁>d₂>d_b. Определяют отношение d_пр/d₁ и умножают величину этого отношения на время Т длительности периода наработки изделия на дату контроля (часы, годы). После чего удается определить предельное время t_пр эксплуатации изделия t_пр = d_пр/d₁•Т и, таким образом, решается поставленная задача с достижением технического результата.

Разница во времени Δt=t_пр-Т будет соответствовать остаточному ресурсу материала изделия в зоне КН с показателем d₁.

В предложенном способе оценки предельного времени эксплуатации изделия принимается условие неизменности рабочих нагрузок (цикличность, параметры среды и т.д.) до и после выполнения измерений и контроля годности изделий.

Указанные преимущества, в также особенности настоящего изобретения поясняются лучшими вариантами его осуществления со ссылками на чертежи.

Фиг. 1 изображает результаты контроля аустенитного змеевика 74 выходной ступени пароперегревателя котла БКЗ-320-ГМ ст. 5 Дягилевской ТЭЦ, где 1 - зависимость нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля по двум каналам измерения от длины, а КН - концентрация напряжений;
фиг.2 изображает механизм образования зоны концентрации напряжений КН на фиг. 1, где Н_р - линия с нулевым значением напряженности, dн - наружный диаметр трубы пароперегревателя котла, зоны КН показаны жирной линией;
фиг.3 - графики изменения градиентов нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля по линии А-А и линии Б-Б при нагружении образца изделия растяжением;
фиг. 4 - графики изменения градиентов поля в области пластической деформации при нагружении образцов изделия растяжением, где график, помеченный х, - обозначает сталь 10; график с о - обозначает сталь 12Х1МФ; а график с ▿ - сталь 15Х1МФ;
фиг. 5 - графики изменения градиента поля при малоцикловой нагрузке растяжением (σ_мах= 0,9σ_Т; σ_мах=0), где N - число циклов нагружения; график, помеченный х, - изменение градиента поля К по линии 1-1; график с о - то же по линии 2-2; график с □ - то же по линии 3-3; график с • - то же по линии 4-4; а график с ▿- изменение градиента поля К по линии 5-5;
фиг. 6 - схема контроля труб многоканальным датчиком, а - пример расположения линий КН, б - схема измерения для определения градиента поля и соотношений m₁, m₂, m_b при числе каналов измерений более двух.

В предлагаемом способе, также как и в известном, производят измерение нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля вдоль поверхности изделия в различных его точках, определяют градиент величины напряженности магнитного поля на зафиксированном по длине отрезке линии, определяют зоны максимальной деформации по максимальному значению измеренного градиента. При этом измерение нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля на поверхности изделия производят одновременно, не менее чем в двух точках на концах зафиксированного по длине l_b отрезка линии. Последующее измерение нормальной составляющей Н_р производят одновременно в двух точках на концах зафиксированного по длине l_b отрезка линии, компланарно отстоящего вдоль поверхности изделия на расстояние l_k от первоначального отрезка. Измерение нормальной составляющей Н_р в двух точках на концах зафиксированного по длине l_b отрезка на равных расстояниях l_k от каждого предыдущего отрезка измерения производят, соблюдая компланарность отрезков измерений. Осуществляют определение градиентов величин нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля в двух точках на концах зафиксированных по длине отрезков l_b и l_k. Сравнивают упомянутые градиенты и определяют по максимальному значению одного из упомянутых градиентов зону и/или зоны максимальной деформации.

Определяют магнитный показатель m_пр статического и/или циклического деформационного упрочнения. Для нахождения этого показателя m_пр измеряют на поверхности образца изделия градиенты нормальной составляющей Нр напряженности магнитного поля: градиент K_в = |ΔH_p|/1_k, при достижении предела прочности и градиент K_т = |ΔH_p|/1_k, при достижении предела текучести в условиях статического и/или циклического нагружения материала образца. Причем точки измерения (т.е. их месторасположение для образа изделия и конкретного изделия) могут и не совпадать, главное, чтобы совпадал используемый материал. (Точность измерения также может быть повышена за счет использования одинаковых по своим размерам изделия и его образца, однако выполнение этого условия не является обязательным, что позволяет контролировать изделия различной конфигурации, но выполненные из одного материала). Обычно длина отрезка l_k для образца выбирается меньшей, чем l_k для конкретного изделия, чтобы повысить точность измерения магнитного показателя m_пр. Такие измерения образца могут быть проведены магнитометрами или известным из [1] прибором при задании соответствующих растягивающих или циклических нагрузок на образец изделия. Показатель m_пр статического и/или циклического деформационного упрочнения определяют путем деления К_в на К_т: m_пр=К_в/К_т.

Измерение нормальной составляющей Н_р вдоль поверхности изделия проводят по каналам измерений с фиксированием расстояния l_b между соседними каналами измерений. Эти каналы измерений образуются при перемещении отрезка l_b компланарно на величину отрезка l_k так же, как в ближайшем аналоге. В частном случае таких каналов измерений два (точки концов отрезка l_b, перемещаемые вдоль поверхности изделия на отрезки l_k), однако при испытаниях конкретного изделия количество каналов измерений выбирается от двух и более в зависимости от сложности формы изделия.

При определении градиентов величин нормальной составляющей _р напряженности магнитного поля в двух точках на концах зафиксированных по длине отрезков 1_b и l_k определяют средневзвешенные градиенты по каналам измерений на всем их протяжении и средневзвешенные градиенты между каналами измерений. Например, для двух каналов измерений



где К¹ср, К²ср - средневзвешенные значения градиента поля соответственно по первому и второму каналу измерений в точках на концах зафиксированных по длине отрезков l_k, а К^bср - средневзвешенные значения градиента поля в точках на концах зафиксированного по длине отрезка l_b,
|ΔHⁱ_p| - изменение нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля в двух точках на концах зафиксированных по длине отрезков l_k,
|ΔH^j_p| - изменение нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля в двух точках на концах зафиксированных по длине отрезков l_b,
n - общее количество зафиксированных отрезков l_k (i=1, 2....n),
r - общее количество зафиксированных по длине отрезков l_b (j=1, 2....r).

Индексы суммирования i и j в общем случае для отрезков l_k и l_b могут быть различными, как и само число этих зафиксированных отрезков.

Далее выделяют по каждому каналу измерений максимальные средневзвешенные значения градиента поля соответственно К¹mах, К²mах, К^bmах и вычисляют отношения

Сравнивают m₁, m₂, m_b с магнитным показателем m_пр и определяют зону, в которой одно из отношений m₁, m₂, m_b равно или превышает m_пр, являющейся зоной предельного состояния материала изделия, соответствующей состоянию предразрушения.

Особенностью настоящего изобретения является дополнительное определение для изделия показателей деформационной способности материала изделия d₁, d₂, d_b и d_пр, Если показатели деформационной способности материала изделия d₁, d₂, d_b больше или равны d_пр, то изделие выводят из эксплуатации. Если показатели деформационной способности d₁, d₂, d_b меньше d_пр, то определяют отношения Lk, где k=1, 2, 3 - текущий индекс, показателей деформационной способности материала изделия L₁=d_пр/d₁, L₂= d_пр/d₂, L₃=d_пр/d_b. Выбирают из этих отношений показателей деформационной способности материала изделия такое отношение Lk_min, величина которого минимальна. Определяют предельное время _пр эксплуатации изделия t_пр=Lk_min•T, где Т - длительность периода времени наработки изделия до даты измерения нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля.

Для повышения точности измерения, а также для нахождения зон предельного состояния материала изделия на всей площади поверхности изделия число каналов измерений выбирают больше двух.

На фиг. 1, 2 показаны фрагменты, иллюстрирующие проявление собственного магнитного поля рассеяния на аустенитных трубах. "Всплеск" магнитного поля рассеяния, зафиксированный при контроле, характеризует возникновение ферромагнитного мартенсита в зоне КН, образовавшейся на трубе пароперегревателя (ст. 1Х18Н12Т) котла от действия рабочих нагрузок.

Определения магнитного показателя m_пр иллюстрируется на примере экспериментальных исследований особенностей изменения локальной остаточной намагниченности при нагружении стальных образцов растяжением (статическим и циклическим).

Для испытаний при статическом нагружении растяжением использовались стандартные образцы в виде пластин той марки стали, из которой изготовлено изделие (трубопровод, сосуд, конструкция). Образец (фиг.3) устанавливается в разрывную машину. Затем на этом образце со стороны, удобной для контроля, путем сканирования датчиком магнитометра вдоль линий А-А и Б-Б, расположенных по краям образца, измеряют нормальную составляющую H_р напряженности магнитного поля. При этом образец не должен иметь искусственного намагничивания и должен быть изготовлен из материала изделия в состоянии поставки.

При измерении по каналам измерений - по линиям А-А и Б-Б (при перемещении отрезка l_b на фиксированные отрезки l_k - показаны на фиг.3, как Δl) фиксируют точки 1, 2, в которых происходит изменение знака поля Н_р. Затем по этим точкам отмечают мелом или краской линию Н_р=0. В соответствии с предлагаемым способом контроля линия Н_р=0 соответствует максимальной неоднородности структуры металла и максимальному магнитному сопротивлению в магнитном поле Земли данного сечения образца. В этом же сечении образца из-за максимальной неоднородности структуры имеет место зона концентрации внутренних напряжений (линия КН на фиг.1). После того как определена линия Н_р=0, на равном расстоянии Δl, по обе стороны от нее (5-10 мм) фиксируют точки 3 и 4, 5 и 6, расположенные соответственно по каналам измерений вдоль образца на линиях А-А и Б-Б. Затем путем ступенчатого нагружения образца нагрузкой Р фиксируют в точках 3, 4, 5, 6 значение Н_р и определяют градиент


Измерение Н_р и определение значения градиента К величины нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля выполняется после каждой ступени нагружения образца, например, 10 МПа, 20 МПа, 30 МПа и т.д., вплоть до предела текучести для данного образца σ_T). После достижения предела текучести измерение значений Н_р и определение градиента К выполняется при фиксировании процента остаточной деформации ε с использованием диаграммы нагружения и регистратора деформации на разрывной машине.

Для уменьшения погрешности измерений время фиксирования нормальной составляющей Н_р в точках 3, 4, 5 и 6 после каждой ступеньки нагружения образца должно быть примерно одинаковым. Большая разница во времени может дать погрешность в измерениях из-за релаксации напряжений.

На фиг.3 показано изменение градиентов К₁ и К₂ по результатам измерений нормальной составляющей Н_р соответственно в точках 3-1-4 (по линии А-А) и 5-2-6 (по линии Б-Б) в зависимости от напряжений растяжения σ для образца, изготовленного из трубы ⊘60х6, сталь 12Х1МФ. Следует отметить, что при достижении нагрузки, равной 0,6σ_T и далее вплоть до предела текучести σ_T значение нормальной составляющей Н_р и ее градиента практически не изменяется. Такая закономерность
отмечалась при испытании множества образцов. Очевидно, что это связано с возникновением скольжения слоев металла в зоне КН. Наибольший интерес для определения предельного соотношения магнитного показателя m_пр представляет изменение градиента К в области пластической деформации.

На фиг.4 показано изменение градиента К нормальной составляющей Н_р, полученное на образцах из разных марок стали, в том числе и для трубного образца из стали 12Х1МФ, представленного ранее на фиг.3. В расчет берется максимальное значение К, которое получается, как правило, в месте начала образования шейки. Из фиг.4 видно, что изменение градиента К для разных марок сталей в пластической области происходит по экспоненциальному закону вплоть до разрушения.

Предельное соотношение m_пр для каждого образца определяется путем деления значения К_в, полученное при образовании шейки (т.е. при достижении предела прочности σ_B), на значение К_т, полученное при достижении предела текучести (σ_T):

Полученное таким образом соотношение m_пр на образцах используется в дальнейшем для контроля готовых изделий, изготовленных из того же материала.

Значительная часть узлов оборудования работает в условиях циклических нагрузок. В этом случае для получения магнитного показателя m_пр для конкретных изделий необходимо провести испытания образцов и на малоцикловую усталость.

Испытания на малоцикловую усталость образцов рекомендуется выполнять с использованием специализированного магнитометра, имеющего регистрирующее устройство.

Образец условно делится на несколько продольных образующих, пересекающих линию КН (линию Н_р=0). По мере роста циклической нагрузки, например через каждые 5000 или 10000 циклов, вдоль этих образующих делается измерение нормальной составляющей поля Н_р.

В момент измерения нормальной составляющей Н_р приложение нагрузки останавливается. Время остановки не должно быть большим (порядка 5-10 мин) и должно быть примерно одинаковым для каждого последующего измерения через очередные 10000 циклов нагружения. Определение градиента К осуществляется автоматически с помощью процессора специализированного магнитометра.

На фиг.5 показан пример изменения градиента К на "корсетном" образце из стали 20 в условиях малоцикловой нагрузки растяжения (σ_max = 0,9σ_T, σ₀ = 0). В данном случае резкий рост градиента К зафиксирован примерно за 50000 циклов до образования трещины в точке пересечения линии КН и линии контроля 1-1. Предельное соотношение магнитного показателя m_пр после испытания данного образца на малоцикловую усталость определяется путем деления максимального значения К_в=К_max, зафиксированного по линии 1-1 перед образованием трещины, к значению К_т, которое было зафиксировано в момент начала его роста (в данном примере за 50000 циклов до образования трещины). Если момент резкого роста параметра К не был зафиксирован, то для расчета магнитного показателя m_пр можно взять среднее значение К_ср, зафиксированное по линии КН по другим образующим контроля (в точках пересечения линий 2-2, 3-3,4-4, 5-5 с линией КН, см. фиг.5).

В примере, представленном на фиг.5, значение магнитного показателя m_пр равно:

Характерно, что значение магнитного показателя m_пр, получаемое при таких испытаниях на одних и тех же образцах при статическом и циклическом нагружении, оказывается примерно равным. Таким образом, это соотношение характеризует деформационную способность металла на стадии упрочнения перед разрушением.

Следует отметить, что абсолютное значение К_mах и К_ср, фиксируемые при контроле оборудования в промышленных условиях по предложенному способу, как правило, отличаются от значений, полученных на образцах в лабораторных условиях. На указанные абсолютные значения К в промышленных условиях влияют размеры и форма объекта контроля, коррозия, ползучесть, остаточные сварочные напряжения, глубина залегания дефекта и прочие причины. Однако само соотношение _пр, как правило, остается таким же как при испытаниях образцов в лабораторных условиях, поэтому оно в ранее известном способе и выбрано в качестве критериального для нахождения зоны предельного состояния материала изделия, соответствующей состоянию предразрушения. Однако, определив зону предельного состояния материала изделия, ранее не удавалось провести отбраковку изделий, выявить годные и негодные к эксплуатации изделия по измеренным известным способом параметрам.

На основе анализа повреждений материала различных изделий и деталей в процессе их длительной эксплуатации установлено, что основными источниками развития повреждений являются зоны концентрации напряжений (КН), обусловленные дополнительными нерасчетными рабочими напряжениями. В результате проведения большого количества измерений выявлено, что уровень фактических напряжений в зонах КН, как правило, значительно превышает допустимый уровень напряжений [σ], принятый в нормах и различных методиках расчета на прочность. Считается, что уровень допустимых напряжений не должен превышать:

где σ_T - предел текучести, a G≈1,5-2 - коэффициент запаса прочности.

Однако для зон КН определение ресурса с использованием принятых методик расчета на прочность по допустимым значениям напряжений [σ] оказывается не пригодным для практики, поскольку ресурс изделия, рассчитанный по нормам для зон КН, оказывается значительно заниженным.

После проведения большого количества экспериментальных работ с использованием указанных ранее известных способов контроля напряженно-деформированного состояния изделий было установлено, что оценка ресурса для изделий любой формы и размеров может быть значительно упрощена за счет определения фактических показателей деформационного упрочнения d, достигнутых в зонах КН на момент контроля.

Эффективность предлагаемого способа для оценки ресурса изделия можно подтвердить на основе сопоставления известных положений о дислокационных процессах, происходящих в зонах усталостного разрушения металлов и результатов лабораторных и промышленных исследований магнитных параметров, характеризующих изменение намагниченности в этих зонах.

В специальных лабораторных и промышленных исследованиях установлено, что в общем случае градиент поля К, фиксируемый в зоне КН (при пересечении линии H_р=0, фиг.3-5), характеризует плотность ρ дислокаций в объеме металла образца. Экспериментально было установлено также, что внутренние напряжения σ_i, возникающие на скоплениях дислокаций, пропорциональны . Отсюда следует, что градиент поля К пропорционален р и соответственно квадрату σ_i
K~(σ_i)²~ρ (1)
Магнитный показатель m_пр статического и/или циклического деформационного упрочнения равен:

где К_в - значение градиента поля, полученное на образце при достижении предела прочности, а К_т - при достижении предела текучести.

В изделиях, находящихся в эксплуатации (оборудование, конструкции, аппараты, трубопроводы, валы и т.п.), под нагрузкой в зонах КН по площадкам скольжения дислокации возникает пластическая деформация, остающаяся и после снятия нагрузки. Исчезает только обратимая часть пластической деформации и, соответственно, исчезает обратимая часть магнитной составляющей градиента поля К.

В исследованиях на образцах установлено, что для зон КН механические характеристики σ_в, σ_т и σ_i, где σ_в - предел прочности, σ_т - предел текучести, σ_i - внутренние фактические напряжения, обусловлены, как правило, сдвиговой пластической деформацией и соответствующей ей плотностью дислокации ρ.
Учитывая эту связь и зависимости (1) и (2), получаем соотношение между измеренными магнитными параметрами m_пр, К_в, К_т и фактическими механическими свойствами металла σ_в и σ_т в зоне КН:

В выражении (3) m_пр - это магнитный показатель деформационного упрочнения, а отношение механическая характеристика фактического деформационного упрочнения или величина, характеризующая предельное упрочнение металла при пластическом деформировании перед разрушением.

Отсюда следуют соотношение m_пр≈d² _пр или для предельного состояния

или для промежуточного состояния металла на кривой деформационного упрочнения

На практике в зависимости от условий нагружения (характера напряженного состояния, температуры, скорости и цикличности нагружения, влияния окружающей среды) один и тот же материал может быть подвержен более хрупкому или более вязкому разрушению. В общем случае наблюдаемая пластическая деформация и, соответственно, величины m_пр и d_пр могут определяться из реальных соотношений нормальных и касательных напряжений в зоне КН и могут отличаться от величин, полученных в лабораторных условиях. Корректировка значений m_пр и d_пр может осуществляться на основании опыта контроля реальных изделий, находящихся в эксплуатации.

Пример осуществления способа.

При контроле газопроводов ⊘219х8, ст20 на газораспределительной станции в г. Воткинск было выявлено 37 участков с зонами концентрации напряжений. Расположение линий концентрации напряжений (КН), образовавшихся на трубопроводах под действием рабочих нагрузок, может иметь различный характер (фиг. 6а). Для обеспечения надежности и приемлемой скорости контроля труб разработана специальная программа обработки результатов измерений многоканальным датчиком. На фиг.6б показана схема, в соответствии с которой делается расчет. Стрелками на фиг.6 обозначены каналы измерений магнитного поля H_р вдоль поверхности трубы. Измеряемое поле H_р является объемным, а расположение линий КН по отношению к оси трубы может быть разнообразным, поэтому схема контроля с тремя или четырьмя параллельными каналами измерений позволяет быстро определить максимальное значение градиента поля H_р при любом расположении линий КН, однако возможно использование и только двух каналов измерений.

Расчеты, выполненные по специальной программе, показали среднее значение градиента поля К_ср, равное 10,66 А/м²•10³ для всех 37-и участков. На 16-ти участках были выявлены максимальные значения К_max, превышающие средние значения К_ср. При этом отношение и соответствующие ему значения d, рассчитанные для каждого из этих участков, приведены в таблице.

Значение m_пр для трубных образцов из стали 20, полученное в соответствии с заявленным способом при лабораторных испытаниях, оказалось равным 3,0. Соответствующее ему значение равно 1,75. На дату контроля газопроводы имели наработку Т около 100000 часов (10⁵ часов). Как видно из результатов контроля, представленных в таблице, участков со значением m, равным или превышающем _пр, не выявлено. Таким образом, все участки газопроводов с зонами КН пригодны для дальнейшей эксплуатации на расчетных параметрах газа.

В таблице выделено 5 участков ( 2, 3, 10, 11, 16) с зонами КН, для которых значение m превышает 2,0. В соответствии с заявленным способом предельный срок эксплуатации наиболее напряженных участков:
Участок 2:

Участок 3:

Участок 10:

Участок 11:

Участок 16:

Разница во времени Δt=t_пр-Т будет соответствовать остаточному ресурсу материала изделия в зоне КН с показателем d_k.

Согласно выполненным расчетам сроки эксплуатации наиболее напряженных участков до достижения предельного состояния металла колеблются от 3000 час для участка 10 до 25000 час для участка 2. Из полученных результатов контроля и расчетов следует, что участок 10 необходимо заменить через 3000 часов эксплуатации, участок 3 - через 14000 часов, участок 2 - через 25000 часов, участки 11 и 16 - через 18000 часов. Таким образом, участки трубопровода могут выводиться из эксплуатации не одновременно, а с учетом их временного ресурса, что позволяет значительно сократить эксплуатационные расходы по демонтажу газопровода.

Наиболее успешно заявленный способ контроля напряженно-деформированного состояния изделия по магнитным полям рассеяния промышленно применим в технике неразрушающих методов контроля различного оборудования, аппаратов, изделий и деталей из ферромагнитного и парамагнитного материала.

Формула изобретения

Способ контроля напряженно-деформированного состояния изделия по магнитным полям рассеяния, включающий измерение нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля на поверхности изделия одновременно в двух точках на концах зафиксированного по длине l_b отрезка линии, последующее измерение нормальной составляющей Н_р одновременно в двух точках на концах зафиксированного по длине l_b отрезка линии, компланарно отстоящего вдоль поверхности изделия на расстояние l_k от первоначального отрезка, измерение нормальной составляющей Н_р в двух точках на концах зафиксированного по длине l_b отрезка на равных расстояниях l_k от каждого предыдущего отрезка измерения, соблюдая компланарность отрезков измерений, определение градиентов величин нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля в двух точках на концах зафиксированных по длине отрезков l_b и l_k, сравнение упомянутых градиентов и определение по максимальному значению одного из упомянутых градиентов зоны максимальной деформации, при этом дополнительно определяют для материала образца изделия магнитный показатель m_пр деформационного упрочнения, для чего измеряют градиент K_в = |ΔH_p|/l_k, соответствующий пределу прочности, и градиент K_т = |ΔH_p|/l_k соответствующий пределу текучести на поверхности образца изделия в условиях статического и/или циклического нагружения, определяют m_пр путем деления К_в на К_т, а измерение нормальной составляющей Н_р вдоль поверхности изделия проводят по меньшей мере по двум каналам измерений с фиксированием расстояния l_b между соседними каналами измерений, при определении градиентов величин нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля в двух точках на концах зафиксированных по длине отрезков l_b и l_k, определяют средневзвешенные градиенты по двум каналам измерений



где К_ср ¹, К_ср ² - средневзвешенные значения градиента поля соответственно по первому и второму каналу измерений в точках на концах зафиксированных по длине отрезков l_k, а K_ср ^b - средневзвешенные значения градиента поля в точках на концах зафиксированного по длине отрезка l_b;
|ΔHⁱ_p| - изменение нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля в двух точках на концах зафиксированных по длине отрезков l_k;
|ΔH^j_p| - изменение нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля в двух точках на концах зафиксированных по длине отрезков l_k;
n - общее количество зафиксированных отрезков l_k (i=1,2....n);
r - общее количество зафиксированных по длине отрезков l_b (j=1, 2....r),
выделяют по каждому каналу измерений максимальные средневзвешенные значения градиента поля соответственно К_max ¹, К_mах ², К_mах ^b, и вычисляют отношения

сравнивают m₁, m₂, m_b с магнитным показателем m_пр, и определяют зону, в которой одно из отношений m₁, m₂, m_b равно или превышает m_пр, являющейся зоной предельного состояния материала изделия, соответствующей состоянию предразрушения, отличающийся тем, что дополнительно определяют показатели деформационной способности материала изделия d₁, d₂, d_b и d_пр, равные соответственно

при этом если показатели деформационной способности материала изделия d₁, d₂, d_b больше или равны d_пр, то изделие выводят из эксплуатации, а если показатели деформационной способности d₁, d₂, d_b меньше d_пp, то определяют отношения L_k, где k= 1, 2, 3 - текущий индекс, показателей деформационной способности материала изделия L₁=d_пр/d₁, L₂=d_пр/d₂, L₃=d_пр/d_b, выбирают из этих отношений показателей деформационной способности материала изделия такое отношение L_{k min}, величина которого минимальна, и определяют предельное время t_пр эксплуатации изделия t_пр=L_{k min}•T, где Т - длительность периода времени наработки изделия на дату измерения нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7