СКАЧАТЬ СТАТЬЮ В PDF

ПОЛНЫЙ ТЕКСТ СТАТЬИ СО ВСЕМИ ФОРМУЛАМИ И КАРТИНКАМИ ДОСТУПЕН В ФОРМАТЕ PDF

Б.Е. Попов (ИКЦ «Кран», Москва), В.Ф. Мужицкий (ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр», Москва), Г.Я. Безлюдько (НПФ «СНР», г.Харьков), В.М. Долинский (ОАО «УкрНИИхиммаш»), Е.А. Левин (ОАО «УкрНИИхиммаш»)

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА МАГНИТНОЙ ДИАГНОСТИКИ

СТАЛЬНЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ

Приводятся известные выражения, устанавливающие зависимость коэрцитивной силы Н_С от химического и фазового состава, размера зерен, плотности дислокаций, внутренних напряжений. Показано, что из-за отсутствия общей теории магнитной структуроскопии следует экспериментальным путем устанавливать корреляционные зависимости между Н_С и механическими свойствами для каждого типа сталей. Установлены критерии браковки несущих элементов металлоконструкций по Н_С. Приведены номограммы для контроля состояния и оценки остаточного ресурса металлоконструкций из малоуглеродистых и низколегированных сталей. Приведены сведения о новом магнитном структуроскопе КРМ-Ц-К2М, с помощью которого можно проводить оценку остаточного ресурса металлоконструкций.

Надежность и безопасность работы любой металлоконструкции определяется запасом прочности и режимом эксплуатации. Расчетный запас прочности в большинстве случаев обеспечивает безаварийную работу конструкции в течение нормативного срока 10-20 лет. После его окончания металлоконструкции работают «по состоянию», а срок службы определяется по результатам технической диагностики при проведении экспертизы промышленной безопасности объекта. Если учесть, что более 60% объектов отработали нормативный срок, то становится понятно насколько важно выбрать метод неразрушающего контроля для оценки структурного и напряженно-деформированного состояния металла и, тем более, остаточного ресурса несущих элементов конструкции.

Работы последних лет в области магнитной структуроскопии позволили установить зависимости между магнитными и физико-механическими свойствами конструкционных сталей [1, 2, 3]. В качестве основного магнитного параметра была выбрана коэрцитивная сила Н_С, как наиболее чувствительная к структурным изменениям в процессе нагружения при статических и циклических нагрузках [4, 5]. По своей физической природе коэрцитивная сила является мерой сопротивления ферромагнетика размагничиванию, происходящему обычно путем смещения междоменных границ (МГД) или вращения вектора намагниченности. Модели Керстена, Кондорского и Нееля стали основой для установления связи коэрцитивной силы с параметрами тонкой структуры металла: химическим и фазовым составом, размером зерен, включениями, точечными дефектами и порами, плотностью дислокаций, внутренними напряжениями… [6, 7, 8].

В то же время, из-за отсутствия общей теории магнитной структуроскопии, приходится искать корреляцию между магнитными параметрами, структурой и механическими свойствами для каждого типа стали.

Поэтому, анализируя исходное магнитное состояние металла, а затем его изменение при нагружении вплоть до разрушения, можно получить информацию о поведении доменной структуры, и, соответственно, о накоплении повреждений, микропластической деформации и росте внутренних (остаточных) напряжений в металле. При этом, совокупное изменение всех структурных и механических параметров возможно только в рамках того запаса магнитной и механической энергии, исчерпание которого приведет к разрушению материала.

Основной метод получения информации — это построение корреляционных зависимостей в процессе нагружения, приближенного к реальным условиям эксплуатации. На рис.1 представлены характерные зависимости коэрцитивной силы от уровня напряжений (s), действующих в стенках старых и новых баллонов и в плоских образцах из таких же баллонов, при испытании на разрыв. Испытания кислородных баллонов на разрыв внутренним давлением воды и на растяжение — плоских образцов (8х40х350мм) позволили не только построить единую корреляционную зависимость Н_С —s, но и определить критические значения в области предела текучести для исследуемой стали Дс, используя кривую e — s. Коэффициент корреляции обеих кривых выше 0,8.

Полученные данные свидетельствуют о возможности осуществления контроля напряженно-деформированного состояния (НДС) металлоконструкций по результатам испытаний образцов из того же металла и построения номограмм на основе корреляционных зависимостей Н_С —s, рис.2 [9].

Такие экспериментальные номограммы позволяют связать коэрцитивную силу с основными параметрами нагружения:  — исходное ненагруженное состояние с минимальными остаточными напряжениями;  – соответствует пределу текучести металла;  — соответствует пределу прочности металла. Статистический анализ по результатам серийных испытаний позволяет определить критические величины , соответствующие допустимому напряжению, установленному конструкторами для данной металлоконструкции.

Исследования, проведенные авторами в течение семи лет на подъемных сооружениях, сосудах, котлах, трубопроводах, объектах железнодорожного транспорта, позволили обобщить результаты и оформить их в виде сводной таблицы физико-механических свойств конструкционных сталей (менее 0,2%С).

В практической работе специалистам по диагностике приходится иметь дело с анизотропным металлом, находящимся под действием сжимающих и растягивающих нагрузок в сложно-напряженном состоянии. Поэтому для анализа НДС необходимо понимание характера распределения напряжений в контролируемой зоне. Так как величина Н_С определяется структурой и векторной суммой действующих напряжений первого, второго и третьего рода, то при магнитном анализе напряженно-деформированного состояния металла приходится учитывать не только абсолютное значение напряжений, но и направление действия этих напряжений по отношению к расположению силовых линий магнитного поля в месте контроля.

Напряжения третьего рода определяются тонкой структурой и зависят от состава , типа решетки, наличия включений и плотности дислокации. Напряжения второго рода формируются при сварке и сборке конструкции, термообработке и её испытании. Эти напряжения повышают величину коэрцитивной силы по сравнению с исходной и создают в металле поля остаточных напряжений определённого знака. Эксплуатационные нагрузки создают в конструкции сжимающие или растягивающие напряжения первого рода, которые, накладываясь на предыдущие, могут в области упругих деформаций как уменьшать, так и увеличивать Н_С в зависимости от направления действия последних. Однако при переходе в упруго-пластическую область преобладающее влияние оказывают внешние нагрузки, под действием которых коэрцитивная сила возрастает по закону, близкому к линейному, вплоть до , соответствующей пределу прочности материала. Априори, в магнитной структуроскопии изменения величины Н_С связаны в первую очередь с изменениями структуры, сформированной при изготовлении металла и конструкции. Если в металле в процессе прокатки или прессования сформировалась устойчивая структура со значительными остаточными напряжениями сжатия, то при растягивающих нагрузках коэрцитивная сила Н_С сначала должна уменьшиться до значения , соответствующего минимуму потенциальной энергии, а затем расти пропорционально приложенному напряжению [10].

В случае, когда уровень остаточных напряжений в металле составляет 0,8  и для структурных изменений необходимо приложить , величина Н_С под нагрузкой может оставаться примерно постоянной вплоть до достижения физического предела текучести, т.е. пока не произойдут изменения в структуре.

После преодоления предела текучести Н_С растёт по закону, близкому к линейному вплоть до , соответствующему пределу прочности металла. Для практики важно, что у каждой марки стали , ,  остаются постоянными, как и энергетические параметры разрушения. По сути, регистрируемые магнитные параметры — это характеристики структурного состояния металла с фиксированным уровнем запаса энергии разрушения. Чем больше затрачивается энергии на пластическую деформацию, тем быстрее структура металла перестраивается и достигает по своим магнитным свойствам , а в дальнейшем .

Энергетическая теория позволяет объяснить, почему максимальная величина коэрцитивной силы при испытании на выносливость ( ) также остаётся постоянной и равной  для данной марки стали. , соответствующая пределу усталости материала, и  соответствующая пределу прочности на разрыв, независимо от вида приложения нагрузки определяются только запасом энергии, заложенным в металл при его изготовлении. Предельное магнитное состояние при статическом и циклическом нагружениях остаётся постоянным.

 

Это позволяет, не проводя трудоёмких испытаний на усталость сложных металлоконструкций, делать оценку НДС и остаточного ресурса объектов, по результатам испытаний образцов из такого же металла при одноосном растяжении в режиме малоцикловой усталости и при статике [11].

Полноценные корреляционные зависимости Н_С(s) получаются в случае снижения до нуля внутренних остаточных напряжений в металле и приведения его перед испытаниями в структурное состояние, соответствующее минимуму потенциальной энергии. Тогда величина Н_С при увеличении нагрузки растёт по закону, близкому к линейному, вплоть до , как это показано на рис.2 для сталей СтЗ, ВСтЗсп5, 09Г2С, Дс.

В практической диагностике НДС и остаточного ресурса конструкций, отработавших нормативный срок, наибольший интерес представляют объекты, у которых в зонах с повышенной концентрацией напряжений металл попал в пластику, т.е. . Вероятность появления таких участков в несущих элементах можно оценить на основе распределения j(Н_С) в тонкостенных (t £ 20мм) конструкциях после 20 лет эксплуатации, рис.3. Для построения таких гистограмм был использован банк данных по подъёмным сооружениям и сосудам из сталей ВСтЗсп5, 09Г2С, Дс. Объём выборки составлял 300 единиц для каждой марки стали. Все распределения подчинялись закону Гаусса в области наиболее вероятного события (математического ожидания). А с ростом Н_С в сторону критических значений — закону модуля разности, описывающему разупрочнение материала и снижение запаса прочности конструкции.

Используя данные таблицы магнитные и механические свойства сталей и номограммы для магнитного контроля напряжений (рис.2), были классифицированы режимы эксплуатации таких объектов и установлены критерии выбраковки как отдельных элементов конструкции, так и объектов повышенной опасности в целом.

По магнитному состоянию структуры металла были определены режимы эксплуатации металлоконструкций: «Надёжный», «Контролируемый», «Критический».

При таком подходе к диагностике магнитный контроль обеспечивает возможность выбраковки потенциально опасных объектов (например, кислородных баллонов), а также  предупреждает о необходимости своевременного ремонта несущих элементов металлоконструкций подъёмных сооружений или котлов и сосудов, работающих под давлением.

Как показала практика, подъёмные краны с большим запасом прочности, которые 50 и даже 100 лет отработали на производстве, могут и сейчас работать в режиме надёжной эксплуатации ( < Н_С < ). В тоже время , кислородные баллоны , изготовленные 15-20 лет назад с нарушениями технологии или условий эксплуатации, перешли в критическое состояние (Н_С > 9 А/см) и взрываются не только при заправке и работе, но и при транспортировке или хранении. Поэтому так важно своевременно предупредить возможное разрушение и оценить остаточный ресурс потенциально опасных объектов.

В разработанных методиках ЗАО ИКЦ «Кран» 007-97 и 009-99 контроль остаточного ресурса металлоконструкций из традиционных сталей ВСт3сп5, 09Г2С, Дс, 10ХСНД и др. можно осуществлять на основе усталостных номограмм N — Н_C, рис.4. Эти номограммы построены на основе циклических испытаний плоских образцов в условиях малоцикловой усталости (R=0) при режимах нагружения, моделирующих реальную работу конструкций.

Как следует из таблицы и рис.3, режим надёжной эксплуатации соответствует структурному состоянию металла, близкому к исходному. Режим контролируемой эксплуатации определяется переходом металла в упруго-пластическое состояние. Критический режим эксплуатации соответствует переходу элементов в пластику и такому накоплению повреждений в структуре металла, которое может вызвать хрупкое разрушение даже при номинальных нагрузках. Число циклов до разрушения сокращается до 5´10⁴. И для предотвращения разрушения конструкции требуется 50% снижение номинальных нагрузок или ремонт с усилением в местах, где выявлена остаточная пластическая деформация или поверхностные микротрещины.

Принципиально важно при диагностировании магнитным методом выявить зоны металла, попавшие в пластику (Н_С > ), и тем более участки, находящиеся в стадии упрочнения, когда Н_С приближается к . Таким образом, по данным магнитного метода в процессе контроля НДС и ОР можно объективно судить о целесообразности дальнейшего использования металлоконструкции в паспортном режиме и необходимости своевременного ремонта для продления срока эксплуатации.

 

В соответствии с требованиями Госгортехнадзора России по техническому заданию ЗАО ИКЦ «Кран» НПФ «Специальные научные разработки» и ЗАО МНПО «СПЕКТР» был разработан портативный магнитный структуроскоп КРМ-Ц-К2М [12]. Автономное питание 12В, преобразователь на основе датчика Холла, возможность измерения коэрцитивной силы по полной петле гистерезиса в диапазоне 0-30 А/см, система отстройки от зазора, звуковая и световая сигнализация обеспечивают контроль за остаточными напряжениями и деформациями в течение всего периода эксплуатации металлоконструкции вплоть до разрушения. При наличии корреляционных зависимостей (номограмм), представленных в методических указаниях, разработанных ЗАО ИКЦ «Кран», ЗАО МНПО «СПЕКТР», НПФ «СНР» и ОАО УкрНИИхиммаш, коэрцитиметр КРМ-Ц-К2М позволяет вести оценку остаточого ресурса металлоконструкций и предупреждать аварии потенциально опасных объектов.

ВЫВОДЫ

1. На основе теории магнитных измерений и экспериментальных исследований корреляции коэрцитивной силы с напряжениями и деформациями в металле получены номограммы для контроля состояния и остаточного ресурса металлоконструкций из малоуглеродистых и низколегированных сталей.

2. В соответствии с требованиями Госгортехнадзора России ЗАО МНПО «СПЕКТР» и НПФ «СНР» налажен выпуск магнитных структуроскопов КРМ-Ц-К2М для диагностики состояния металлоконструкций из ферромагнитных сталей.

3. ЗАО ИКЦ «Кран» совместно с ОАО УкрНИИхиммаш собран банк данных и проведен статистический анализ по магнитной диагностике подъёмных сооружений и сосудов, работающих под давлением. Критериальный подход к режимам эксплуатации позволяет обеспечить надёжный контроль металла и предупредить разрушение объектов повышенной опасности.

4. Для технического диагностирования при проведении экспертизы промышленной безопасности объектов Госгортехнадзора России ЗАО ИКЦ «Кран» подготовлены методические указания по магнитной структуроскопии подъёмных сооружений-(007-97) и сосудов, работающих под давлением — (009-99).

Дата представления  11.09.01

Б.Е. Попов  — к.т.н., начальник отдела

В.Ф. Мужицкий — д.т.н., зам.директора, зав.отделом, 119048, Москва, ул Усачева, 35, стр.1, тел 245-56-18, факс 246-88-88

Г.Я. Безлюдько — к.т.н., с.н.с.

В.М. Долинский — к.т.н., с.н.с.

Е.А. Левин —  начальник отдела

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Михеев М.Н., Горкунов Э.С. Магнитные методы неразрушающего контроля структурного состояния и прочностных характеристик термически обработанных изделий — Обзор. Дефектоскопия, 1985, N3, с.3-21.

2. Мужицкий В.Ф., Попов Б.Е., Безлюдько Г.Я. и др.  Дефектоскопия, 1996, N2, с.12-19.

3. Мельгуй М.А., Матюк В.Ф., Крутикова Л.А. Контроль горячекатаного проката сталей 3сп и 10сп с помощью приборов типа ИМА-5А — Заводская лаборатория, 1988, N4, с.65-68.

4. Горкунов Э.С., Федотов В.П., Бухвалов А.Б. и др. Дефектоскопия, 1997, N4, с.87-96.

5. Попов Б.Е., Мужицкий В.Ф., Безлюдько Г.Я., Левин Е.А., Белослюдов А.Б. Контроль. Диагностика, 1998, N 3, с.40-44.

6. Щербинин В.Е., Горкунов Э.С. Магнитный контроль качества металлов. — РАН Уральское отд. ИФМ, Екатеринбург, 1996, с.158-170.

7. Takahashi S., Echigoya J., Motoki Z. Magnetization Curves of Plastically Deformed Fe metals and Alloys — J. Appl. Phys, V.87, N2, 2000.

8. Lo C.C, Taug F. Shi Y. Jiles D.C. Biner B.B. Monitoring Fatigue Damage in Materials Using Magnetic Measurement Techniques — J. Appl. Phys., V.85, N8, 1999.

9. Межгосударственный стандарт ГОСТ 30415-96. Сталь. Неразрушающий контроль механических свойств и микроструктуры металлопродукции магнитным методом.

10. Кулеев В. Г., Горкунов Э.С. Механизмы влияния внутренних и внешних напряжений на коэрцитивную силу ферромагнитных сталей — Дефектоскопия, 1997, N11, с.3-18.

11. Muzhitsky V.F., Popov B.E., Bezludko G.Y. Magnetic Methods and Instrumentation for Inspection of the Ferromagnetic Steel Shattering Process for the Metallic Structures Residual Resource Evaluation of Machines and Vessel Working Under Pressure, 15-th World Conference on Non-Destructive Testing. Rome (Italy), 15-21 October 2000, p.435.

12. Безлюдько Г.Я., Мужицкий В.Ф., Попов Б.Е. Заводская лаборатория, 1999, N9, с.53-57.

ПЕРЕЧЕНЬ ИЛЛЮСТРАЦИЙ

К статье Попова Б. Е. Мужицкого В.Ф. и др. «Теория и практика магнитной диагностики стальных металлоконструкций»

ТАБЛИЦА. Магнитные и механические свойства листов толщиной 5-15мм из конструкционных сталей.

Рис.1. Корреляция магнитных и механических свойств в металле при испытании на разрыв образцов и баллонов из стали марки Дс.

Рис.2. Номограммы для магнитного контроля напряжений в конструкциях из сталей : Ст3, ВСт3сп5, 09Г2С, 17Г1С, Дс.

Рис.3. Распределение значений коэрцитивной силы Н_C в тонкостенных конструкциях из сталей ВСт3сп5, 09Г2С и Дс после 30 лет эксплуатации.

Рис.4. Номограммы для магнитного контроля остаточного ресурса конструкций из сталей марок: ВСт3сп5, 09Г2С.