Способ определения остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов

Изобретение относится к способам контроля и технического диагностирования изделий из ферромагнитных материалов и может быть использовано в строительстве в процессе изготовления, монтажа и реконструкции металлоконструкций, а также при обследовании оборудования и объектов химической, металлургической, нефтеперерабатывающей отраслей промышленности. Способ включает в себя измерение в изделии напряженности магнитного поля в направлении, совпадающем с заданным направлением остаточных напряжений. Далее фиксируют линии с нулевым значением величины напряженности магнитного поля, измеряют градиент величины напряженности магнитного поля вдоль этих линий на равном заданном расстоянии l_k от каждой линии по обе стороны от нее по длине отрезка l_k. Затем сравнивают полученные величины градиента изделия с величиной градиента, дополнительно полученной на образце, изготовленном из того же металла, что и изделие. Определение зоны концентрации максимальной величины остаточных напряжений производят по максимальной разнице значений градиентов изделия и образца и далее определяют степень опасности выявленных зон. Технический результат изобретения заключается в повышении достоверности при определении зон концентрации максимальной величины остаточных напряжений и оценки степени опасности выявляемых зон напряженно-деформированного состояния изделия, конструкции. 3 ил.

 

Предлагаемый способ относится к способам контроля напряженно-деформированного состояния ферромагнитных материалов по остаточной намагниченности металла и может быть использован в строительстве при техническом диагностировании металлоконструкций в процессе изготовления, монтажа, эксплуатации, реконструкции и реновации; при обследовании оборудования и металлоконструкций подъемных сооружений, объектов химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности, металлургических и коксохимических производств, объектов газоснабжения, объектов по хранению и переработке зерна, в машиностроении и на железнодорожном транспорте; в любых конструкциях из ферромагнитных материалов.

Известен способ определения остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов, включающий измерение максимальной величины напряженности магнитного поля, по которой определяют максимальную величину остаточных напряжений, действующих в направлении, совпадающем с направлением измеряемого магнитного поля (а.с. СССР №1779954, G01L 1/12. Б.И. №45 от 07.12.92 г.).

Недостатком этого способа является отсутствие признаков определения зон концентрации остаточных напряжений, в которых имеет место максимальная величина остаточных напряжений.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ определения остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов, включающий измерение напряженности магнитного поля в направлении, совпадающем с заданным направлением остаточных напряжений, фиксацию линий с нулевым значением, при этом зону концентрации максимальной величины остаточных напряжений определяют по максимальному значению измеряемого градиента величины напряженности магнитного поля (патент РФ №2029263, G01L 1/12. 1995.02.20).

К недостатку известного способа относится то, что он не является достаточно достоверным при определении зон концентрации максимальной величины остаточных напряжений "по максимальному значению измеряемого градиента" и не позволяет произвести оценку степени опасности выявленных зон, а также указать допустимые границы его применения, так как при одних и тех же полученных значениях градиента напряженности магнитного поля внутренние напряжения в этих зонах могут значительно отличаться по своим значениям и свидетельствовать либо о наличии упругой (менее опасной) области деформирования (внутренние напряжения ниже условного предела текучести металла, т.е. σ_вн<σ_0.2), либо о пластической (более опасной) области деформирования (внутренние напряжения выше предела текучести, т.е. σ_вн>σ_0.2), в которой возможно развитие и возникновение реальных дефектов.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение достоверности при определении зон концентрации максимальной величины остаточных напряжений и проведении оценки степени опасности выявляемых зон при контроле напряженно-деформированного состояния изделия (конструкции), а также определение допустимых границ применения.

Сущность изобретения заключается в том, что для определения остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов измеряют напряженность магнитного поля в направлении, совпадающем с заданным направлением остаточных напряжений, фиксируют линии с нулевым значением величины напряженности магнитного поля, измеряют градиент величины напряженности магнитного поля вдоль этих линий на равном заданном расстоянии l_k от каждой линии по обе стороны от нее по длине отрезка l_k, затем величину градиента напряженности магнитного поля изделия сравнивают с дополнительно измеренной величиной градиента на образцах, изготовленных из того же металла, при напряжении растяжения 5...20 МПа, а зону концентрации максимальной величины остаточных напряжений определяют по максимальной разнице значений градиентов изделия и образца. Исходное состояние металла исследуемых образцов на растяжение должно соответствовать состоянию металла обследуемого изделия.

Способ определения остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен обследуемый узел сварной металлоконструкции, изготовленный из стали Ст3; на фиг.2 представлена схема образца для механических испытаний, вырезанного из конструкции, показанной на фиг.1; на фиг.3 приведен график изменения градиента напряженности магнитного поля (K_ин) от напряжений растяжения образца, показанного на фиг.2.

Способ осуществляют следующим образом. На узле металлоконструкции в районе сварного шва и зоны термического влияния (фиг.1) измеряют нормальную составляющую величины напряженности магнитного поля рассеяния H_p путем поочередного перемещения датчика (двухканального феррозондового преобразователя), подключенного к прибору (измерителю концентрации напряжений магнитометрическому ИКНМ-2ФП), вдоль и поперек сварного шва. При обнаружении на поверхности сварного соединения изменения знака величины H_p с переходом через нулевое значение специальным маркером фиксируют линию с нулевым значением величины H_p. Определенная таким образом линия H_p=0 характеризует линию концентрации остаточных напряжений в зоне термического влияния сварного шва. Затем вдоль линии H_p=0 на одинаковом расстоянии от нее, например по 5 мм с каждой стороны, измеряют напряженность магнитного поля. Количественная оценка уровня концентрации напряжений определяется градиентом нормальной составляющей магнитного поля H_p при переходе через линию концентрации напряжений (линию H_p=0):

где K_ин - градиент магнитного поля, характеризующийся интенсивностью изменения магнитного поля H_p;

- модуль разности поля H_p между двумя точками контроля, расположенными на равных отрезках l_k по обе стороны от линии H_p=0. При этом отрезки l_k должны быть перпендикулярны к линии H_p=0. Это обусловлено их совпадением с направлением максимальных растягивающих или сжимающих напряжений.

Максимальное значение градиента K_ин в рассматриваемом примере (фиг.1) будет равна

Затем из узла сварной металлоконструкции (фиг.1) изготавливают образцы для механических испытаний по ГОСТ 1497-84. Образцы для испытаний на растяжение могут изготавливаться как из материала изделия (конструкции), так и из металла, примененного при изготовлении обследуемого изделия (конструкции).

Механические испытания проводят в соответствии с ГОСТ 1497-84. Образец (фиг.2) устанавливают в захваты разрывной машины и проводят его растяжение при скорости деформирования 2 мм/мин. Путем сканирования датчиком прибора ИКНМ-2ФП по рабочей части образца измеряют нормальную составляющую напряженности магнитного поля H_р, при этом фиксируют точки, в которых происходит изменение знака, эти точки и определяют линию H_p=0. Затем по линии А-А на равном расстоянии l_k=5 мм по обе стороны от линии H_p=0 определяют точки 1 и 2. При ступенчатом нагружения образца нагрузкой Р в точках 1 и 2 фиксируют значения нормальной составляющей магнитного поля H_p и определяют значение градиента K_ин по формуле (1).

Измерение значений поля H_p и определение градиента K_ин выполняется после каждой ступени нагружения образца, например, при 50, 100, 150 МПа и т.д., вплоть до условного предела текучести σ_0.2 для данного образца. После достижения напряжения σ_0.2 измерение поля H_p и определение градиента К_ин выполняют через равные промежутки остаточной деформации ε с использованием диаграммы растяжения, полученной на разрывной машине. На построенном графике (фиг.3) находят градиент К_ин, соответствующий напряжению растяжения 5...20 МПа, который в нашем случае при 20 МПа составляет 2,6·10³ А/м². Затем находят разность значений максимального градиента изделия и образца, которая составляет Определенная таким образом разность значений градиентов K_ин характеризует зону концентрации максимальной величины остаточных напряжений в пластической области. Эта зона концентрации обусловлена остаточными напряжениями, вызванными действием рабочих нагрузок в сочетании с остаточными сварочными напряжениями.

Анализ зависимости градиента K_ин от напряжения растяжения на стали Ст3 (фиг.3) показывает, что в упругой области деформирования примерно до напряжения 0,6·σ_0.2 с увеличением напряжения растяжения наблюдается уменьшение градиента K_ин от исходного (точка а). В области напряжений от 0,6·σ_0.2 до 1,1·σ_0.2 наблюдается некоторое повышение значения K_ин с последующим его снижением в пластической области (при напряжении примерно 300 МПа). С последующим повышением напряжения растяжения растет и градиент магнитного поля. В точке ƒ его значение соответствует исходному значению K_ин (K_ин в точке ƒ равен К_ин в точке а). Затем К_ин начинает интенсивно увеличиваться по экспоненциальному закону вплоть до разрушения образца. Аналогичная зависимость наблюдается и для стали 09Г2С.

Из анализа зависимости К_ин от напряжений растяжения (кривая a-a₁-b-c-d-e-ƒ, фиг.3) следует, что можно наблюдать три характерных случая:

- градиенты К_ин в упругой и пластической областях одинаковы, например в точках b и е соответственно;

- градиент К_ин в упругой области больше, чем в пластической, например в точках b и d соответственно или b и с соответственно;

- градиент К_ин в упругой области меньше, чем в пластической, например в точках b и ƒ соответственно.

В первом случае в точках b и е K_ин=2,4·10³ А/м², а значения напряжений растяжения в упругой и пластической областях различаются в 6,3 раза (σ=50 МПа и σ=314 МПа соответственно).

Во втором случае большему значению К_ин=2,4·10³ А/м² (точка b) соответствуют меньшие напряжения (σ=50 МПа), а более низкому значению К_ин=1,6·10³ А/м² (точка d) - весьма высокие напряжения растяжения (σ=308 МПа). Или, аналогично, в точках b и с значения К_ин равны 2,4·10³ А/м² и 1,8·10³ А/м², а напряжения растяжения составляют 50 МПа и 245 МПа (σ_0.2) соответственно.

В третьем случае меньшее значение К_ин=2,4·10³ А/м² (в упругой области) соответствует более низкому напряжению растяжения (σ=50 МПа), тогда как более высокий К_ин=3,2·10³ А/м² соответствует более высоким напряжениям растяжения (σ=325 МПа) (точки b и ƒ соответственно).

Из анализа описанных трех характерных случаев (фиг.3, кривая a-a₁-b-c-d-e-ƒ) следует, что зоны концентрации максимальной величины остаточных напряжений можно надежно определять за пределами упругой и частично пластической областей (правее точки ƒ, фиг.3), т.е. в пластической области, когда выявленный К_ин превышает значение К_ин образца в начальной стадии деформирования (в упругой области) (фиг.3, точка а). Следовательно, зоны концентрации максимальной величины остаточных напряжений в изделиях можно достоверно указать только после сравнения полученного К_ин со значением К_ин образца в начальной стадии упругого деформирования.

В связи с тем, что К_ин образца в упругой области имеет максимальное значение в начальной стадии деформирования (фиг.3, точка а), а затем с повышением напряжений растяжения начинает уменьшаться, необходимо измерение нормальной составляющей магнитного поля рассеяния H_p и вычисление градиента поля К_ин начинать на самой ранней стадии: при напряжениях растяжения 5...20 МПа (фиг.3, точка а₁). В этом случае максимальная разность величин К_ин изделия и образца объективно покажет зону концентрации с максимальной величиной остаточных напряжений. При напряжениях растяжения образца более 20 МПа градиент магнитного поля К_ин будет иметь более низкие значения, и, следовательно, мы получим более высокую разность К_ин изделия и образца при одном и том же значении К_ин изделия, что будет свидетельствовать о более высоких величинах внутренних остаточных напряжений и завысит степень опасности найденной зоны концентрации напряжений.

Таким образом, предложенный способ позволяет повысить достоверность при определении зон концентрации максимальной величины остаточных напряжений и оценить степень опасности выявляемых зон при контроле напряженно-деформированного состояния изделия (конструкции) в допустимых границах применения.

Способ определения остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов, включающий измерение напряженности магнитного поля в направлении, совпадающем с заданным направлением остаточных напряжений, фиксацию линий с нулевым значением величины напряженности магнитного поля, измерение градиента величины напряженности магнитного поля вдоль этих линий на равном заданном расстоянии l_k от каждой линии по обе стороны от нее по длине отрезка l_k, отличающийся тем, что величину градиента напряженности магнитного поля изделия сравнивают с величиной градиента, дополнительно полученной на образцах, изготовленных из того же металла, что и изделие, при напряжении растяжения 5-20 МПа, а зону концентрации максимальной величины остаточных напряжений определяют по максимальной разнице значений градиентов изделия и образца; степень опасности выявленных зон концентрации напряжений оценивают сравнением полученных разностей значений градиентов изделия и образца в пределах допустимых границ применения.