Способ определения остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов

Изобретение относится к способам контроля напряженно-деформированного состояния ферромагнитных материалов по остаточной намагниченности металла и может быть использовано в строительстве и других отраслях при техническом диагностировании оборудования и металлоконструкций, в любых изделиях из ферромагнитных материалов. При реализации способа производят измерение максимальной величины напряженности магнитного поля, по которой определяют максимальную величину остаточных напряжений, действующих в направлении, совпадающем с направлением измеряемого магнитного поля. Затем проводят измерение напряженности магнитного поля на поверхности изделия с целью нахождения зон с максимальными и близкими по величине значениями напряженности магнитного поля. Далее производят снижение или увеличение внешних нагрузок на изделие и измерение величин напряженности магнитного поля в контролируемых зонах и сравнение их при одних и тех же нагрузках. После этого по максимальной величине приращения напряженности магнитного поля в этих зонах после снижения или увеличения внешних нагрузок определяют наиболее опасную зону с максимальной величиной остаточных напряжений. Технический результат заключается в повышении эффективности контроля и достоверности оценки степени опасности выявленных зон концентрации остаточных внутренних напряжений с максимальными и близкими по величине значениями напряженности магнитного поля при сравнении этих зон между собой, а также определение максимальной величины остаточных напряжений в сравниваемых зонах. 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 промышленности, металлургических и коксохимических производств, объектов газоснабжения, объектов по хранению и переработке зерна, в машиностроении и на железнодорожном транспорте; в любых изделиях из ферромагнитных материалов.

Известен способ определения зон остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов, включающий измерение скачкообразного изменения магнитного поля изделия в зонах возникновения пластических деформаций под действием приложенных осевых нагрузок, одновременно или последовательно измеряют тангенциальную и нормальную составляющие напряженности магнитного поля рассеяния в одних и тех же точках контроля на наружной поверхности контролируемого изделия, а зоны остаточных напряжений определяют по равенству значений тангенциальной и нормальной составляющих напряженности магнитного поля (а.с. СССР №1727004, кл. G01L 1/12, 1991).

Недостатком этого способа является ограниченная область применения: невозможность его применения в случае упругого напряженно-деформированного состояния изделия, а в случае пластического напряженно-деформированного состояния изделия позволяет определять зоны остаточных напряжений, образовавшиеся в трубопроводах только под действием изгибных и крутящих нагрузок.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является 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, БИ №45 от 07.12.92 г., G01L 1/12).

Недостатком этого способа является недостаточная степень его достоверности, так как он не позволяет сравнить между собой по степени опасности несколько выявленных зон концентрации напряжений (КН) (выявить самую опасную зону КН), имеющих одинаковые значения максимальных величин напряженности магнитного поля, т.е. не позволяет сравнить между собой максимальные величины остаточных напряжений, действующих в направлении, совпадающем с направлением измеряемого магнитного поля.

Дело в том, что выявленные зоны концентрации напряжений могут иметь одинаковые или близкие по значению максимальные величины напряженности собственного магнитного поля рассеяния Н_р, а максимальные величины остаточных напряжений в этих зонах могут значительно различаться. Более того, выявленные зоны концентрации напряжений с меньшими величинами напряженности магнитного поля могут иметь большие величины остаточных напряжений, чем зона с максимальной величиной напряженности магнитного поля, и поэтому могут оказаться значительно опасней.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности контроля путем выявления зон концентрации остаточных внутренних напряжений с максимальными и близкими по величине значениями напряженности магнитного поля и сравнение этих зон между собой по степени их опасности, а также определение максимальной величины остаточных напряжений в сравниваемых зонах.

Сущность изобретения заключается в том, что для определения остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов измеряют напряженность магнитного поля Н_р и по максимальной величине Н_р определяют максимальную величину остаточных напряжений, действующих в направлении, совпадающем с направлением магнитного поля, находят зоны с максимальными и близкими по величине значениями напряженности магнитного поля, после чего ступенчато снижают или увеличивают внешние нагрузки на изделие в зависимости от условий его эксплуатации, при этом измеряют величины напряженности магнитного поля в контролируемых зонах и сравнивают их при одних и тех же нагрузках, а по максимальной величине приращения напряженности магнитного поля в этих зонах при ступенчатом изменении внешних нагрузок определяют наиболее опасную зону с максимальной величиной остаточных напряжений. Величина приращения находится как разность ΔН_р (по модулю) между величинами Н_р, полученными при ступенчатом изменении внешних нагрузок. Условия эксплуатации конструкции (изделия) определяют способ изменения действующих внешних нагрузок, например снижение (увеличение) внутреннего давления в трубопроводах, подъем (опускание) груза подъемными машинами и механизмами, приложение растягивающих (сжимающих, изгибающих, крутящих) нагрузок к элементам и узлам металлических конструкций и т.п.

Предлагаемый способ определения остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов опробован при проведении механических испытаний образцов и при испытании внецентренно сжатой стойки и поясняется чертежами и графиками, где на фиг.1 представлен образец с исследуемыми зонами концентрации остаточных напряжений (зоны 1 и 2), на фиг.2 - графики изменения напряженности магнитного поля Н_р от прилагаемой нагрузки в зонах 1 и 2; на фиг.3 - схема установки для внецентренно сжатой стойки (фиг.3, a) и вид стойки с указанными на ней зонами контроля напряженности собственного магнитного поля рассеяния (фиг.3, б).

При проведении механических испытаний образцов способ осуществляют следующим образом. Из стали 10ХСНД изготавливают образцы для механических испытаний. 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. Перед проведением испытаний образец устанавливают в захваты разрывной машины и проводят его растяжение со скоростью деформирования 2 мм/мин. При напряжении растяжения образца 1...10 МПа с целью фиксации напряженности магнитного поля в исходном состоянии растяжение прекращают и путем перемещения датчика (двухканального феррозондового преобразователя), подключенного к прибору (измерителю концентрации напряжений магнитометрическому ИКНМ-2ФП) вдоль оси образца замеряют напряженность магнитного поля Н_р в зонах 1 и 2. Зона 1 выбрана в минимальном сечении образца, зона 2 - по максимальному значению H_p на оси образца в неослабленном сечении, при этом площадь поперечного сечения образца в зоне 1 составляет 10 мм², в зоне 2-20 мм². Дальнейшее измерение величин Н_р при растяжении образца выполняют после каждой ступени нагружения вплоть до достижения в зоне 1 внутренних напряжений, близких к условному пределу текучести σ_0,2 для данного материала образца. После этого растяжение образца прекращают и затем ступенчато, как и при нагружении, ведут разгружение образца, фиксируя при этом напряженность магнитного поля в зонах 1 и 2.

Результаты проведенных исследований образцов представлены на фиг.2. Видно, что как в зоне 1, так и в зоне 2 при ступенчатом нагружении происходит уменьшение значений напряженности Н_р, а при ступенчатом разгружении - их увеличение. Однако в зоне 1, имеющей меньшее сечение, наблюдается более резкое снижение и увеличение значений Н_р при нагружении и разгружении соответственно. Так, при повышении нагрузки со 150 до 250 кг напряженность магнитного поля в зоне 1 снижается с 202 до 155 А/м, их разность ΔН_р (по модулю) составляет 47 А/м (фиг.2, точки 3 и 3'), тогда как в зоне 2 напряженность Н_р снижается с 220 до 213 А/м (фиг.2, точки 1 и 1'), при этом разность значений ΔН_р (по модулю) в этой зоне составляет 7 А/м. При снижении нагрузки с 250 до 150 кг напряженность магнитного поля в зоне 1 повышается с 115 до 147 А/м, их разность ΔHp составляет 32 А/м (фиг.2, точки 4 и 4'), тогда как в зоне 2 напряженность Н_р повышается с 207 до 210 А/м (фиг.2, точки 2 и 2'), при этом разность значений ΔHp в этой зоне составляет 3 А/м.

Более резкое изменение значений Н_р в зоне 1 связано с более высокими (в 2 раза) внутренними напряжениями (вследствие ослабления сечения в два раза) при одних и тех же внешних нагрузках. Таким образом, более высокие приращения ΔH_p (по модулю) напряженности магнитного поля Н_р в зоне концентрации напряжений 1 свидетельствуют о более высоких внутренних напряжениях, чем в зоне концентрации напряжений 2. Следовательно, степень опасности выявленной зоны определяет не исходная величина напряженности магнитного поля (которая в нашем случае для менее опасной зоны 2 несколько выше (223 А/м), чем в более опасной зоне 1 (214 А/м)), а величина приращения (по модулю) значений напряженности магнитного поля ΔH_p при ступенчатом нагружении или разгружении.

Результаты исследований подтвердили, что повышение (снижение) внутренних напряжений при увеличении (снижении) внешних нагрузок на образец приводит к снижению (повышению) значений напряженности магнитного поля в контролируемых зонах и, главное, что более высокому (по модулю) приращению напряженности магнитного поля отвечают более высокие остаточные внутренние напряжения, определяющие наиболее опасную из исследуемых зон, которые имели максимальные и близкие по величине начальные значения напряженности магнитного поля.

Предлагаемый способ определения остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов опробован также при испытании внецентренно сжатой стойки, изготовленной из стали Ст3 (фиг.3). Нагружение стойки осуществлялось на специальном стенде с помощью гидравлического домкрата мощностью до 1000 кН. Площадь поперечного сечения стойки составляла 8250 мм². В процессе испытаний к стойке прикладывалась нагрузка в 20, 70, 120, 170 и 220 кН. Нагрузка определялась по тензометрам и разности отсчетов в микрометрах. Напряжения находились по формуле, выражающей закон Гука:

где l - длина базы тензометра, выраженная в микрометрах.

Для измерения напряженности магнитного поля были выбраны четыре зоны (точки 1, 2, 3 и 4) вблизи установленных тензометров (фиг.3, б), отвечающие напряженно-деформированным состояниям стойки с различным уровнем внутренних напряжений.

За исходное состояние конструкции была выбрана нагрузка на стойку в 20 кН. Значения действующих внутренних напряжений σ и приращение ΔH_p (по модулю) в зависимости от увеличения ступенчато прилагаемой нагрузки для исследуемых зон 1, 2, 3 и 4 приведены в табл.1. Видно, что все элементы стойки находятся в упругом напряженно-деформированном состоянии, т.е. внутренние остаточные напряжения не превышают значений σ_m для материала стойки.

Таблица 1
Нагрузка, кН	Исследуемые зоны
	Зона 1	Зона 2	Зона 3	Зона 4
σ, МПа	ΔНр, А/м	σ, МПа	ΔHp, А/м	σ, МПа	ΔHp, А/м	σ, МПа	ΔHp, А/м
20	2,7	-	8,4	-	1,7	-	20,3	-
60	8	1	25	3	5	0	60	5
120	16	0	50	2	10	1	120	6
180	24	1	75	3	15	0	180	4
240	32	2	100	3	20	1	240	5

По данным табл.1 прослеживается корреляция между изменением приложенных внешних нагрузок, а следовательно, и соответствующим изменением внутренних напряжений и приращением значений напряженности магнитного поля ΔH_p. С повышением уровня внутренних напряжений возрастает и приращение напряженности магнитного поля. Так, приращения напряженности ΔH_p в зоне 4, которая лежит вблизи места приложения нагрузки (фиг.3, б), значительно превосходят ΔH_p зоны 2 и особенно зон 1 и 3, где наблюдается самый низкий уровень остаточных напряжений. Так, например, в зоне 3 низким внутренним напряжениям (5, 10, 15 и 20 МПа) соответствуют и малые приращения ΔHp (0, 1, 0 и 1 А/м), тогда как в зоне 4 высоким внутренним напряжениям (60, 120, 180 и 240 МПа) соответствуют и высокие приращения ΔHp (5, 6, 4 и 5 А/м). Приращения напряженности магнитного поля в зонах 2 и 3 имеют промежуточные значения.

Из анализа экспериментальных данных следует, что все контролируемые зоны стойки находятся в упругом напряженно-деформированном состоянии. Из них самой опасной является зона 4, которой соответствует максимальные (по модулю) приращения ΔH_p и самый высокий уровень внутренних напряжений. Наименее опасной является зона 3. Можно констатировать, что более высокому (по модулю) приращению напряженности магнитного поля отвечают более высокие остаточные внутренние напряжения.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет по максимальной величине приращения напряженности магнитного поля в исследуемых зонах при ступенчатом изменении внешних нагрузок определить наиболее опасную, из всех исследуемых, зону с максимальной величиной остаточных напряжений.

Способ определения остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов, заключающийся в измерении максимальной величины напряженности магнитного поля, по которой определяют максимальную величину остаточных напряжений, действующих в направлении, совпадающем с направлением измеряемого магнитного поля, отличающийся тем, что на изделии измеряют напряженность магнитного поля, находят зоны с максимальными и близкими по величине значениями напряженности магнитного поля, снижают или увеличивают внешние нагрузки на него, измеряют величины напряженности магнитного поля в контролируемых зонах и сравнивают их при одних и тех же нагрузках, а по максимальной величине приращения напряженности магнитного поля в этих зонах после снижения или увеличения внешних нагрузок определяют наиболее опасную зону с максимальной величиной остаточных напряжений.