Дефектоскопия стальных канатов

Подъемные устройства различных типов применяют на боль­шинстве объектов нефтегазовой промышленности в качестве основ­ного и вспомогательного оборудования. Основным видом гибких грузовых элементов подъемных устройств являются стальные кана­ты. Магнитный неразрушающий контроль в последние годы все бо­лее широко начинает применяться для дефектоскопии таких кана­тов, изготовленных из ферромагнитных материалов. Та же аппарату­ра может быть использована и для контроля длинных стержневых деталей, например таких, как штанги глубинных насосов.

Принцип магнитной дефектоскопии основан на оценке магнит­ного потока вдоль участка каната и регистрации изменений в его распределении. Эти изменения могут быть обусловлены рядом при­чин: изменением площади поперечного сечения каната, наличием обрывов проволок, изменением магнитных свойств материала про­волок, например из-за локального термического воздействия, приво­дящего к изменению структуры металла.

Дефектоскопию стальных канатов осуществляют с использова­нием переменного или постоянного магнитного поля (РД 03-348—00 «Методические указания по магнитной дефектоскопии стальных ка­натов»). При использовании переменного магнитного поля магнит­ный поток вдоль продольной оси участка контролируемого каната создают посредством возбуждающей индуктивной катушки с пере­менным током, охватывающей канат. Измерительная катушка также охватывает канат и в ней индуцируется ЭДС, зависящая от площади поперечного сечения каната по металлу. Метод переменного магнит­ного поля используют, как правило, только для измерения потери сечения каната.

Метод постоянного магнитного поля используют как для измере­ния потери сечения каната, так и для обнаружения локальных де­фектов. Постоянный магнитный поток вдоль продольной оси участ­ка контролируемого каната создают постоянными магнитами или электромагнитами постоянного тока. Общий магнитный поток, соз­даваемый постоянными магнитами или электромагнитом (часть это­го потока), измеряют датчиками Холла либо другими датчиками, пригодными для измерения абсолютного значения магнитного пото­ка или изменений этого потока. Сигнал датчиков зависит от магнит­ного потока, проходящего через участок контролируемого каната и, следовательно, от поперечного сечения этого участка по металлу.

Локальные дефекты каната, например обрывы проволок, создают вблизи дефектов магнитные потоки рассеяния, которые регистриру­ются датчиками Холла, катушками или другими магниточувствительными элементами. Сигналы датчиков зависят не только от раз­меров локальных дефектов, но и от их типа и положения, поэтому определить количественно параметры дефектов обычно затрудни­тельно. Качественный анализ полученной информации о локальных дефектах выполняют по дефектограммам на основании накопленно­го опыта.

В различных странах мира в настоящее время выпускается около 15 моделей канатных дефектоскопов. В России выпускаются две модели: УДК-3 (изготовляется в Екатеринбурге) и «Интрос» (из­готовляется в Москве). По мнению автора, наиболее совершенной моделью из всех известных в мировой практике является российский дефектоскоп «Интрос».

Дефектоскоп «Интрос» состоит из электронного блока (ЭБ) и магнитной головки (МГ) со сменным блоком датчиков (БД). К ЭБ может быть подключена любая МГ для контроля соответственно круглых и плоских стальных, а также резинотросовых канатов. Од­новременно к ЭБ может быть подключена только одна МГ. Принци­пиальная схема магнитной головки для круглых канатов с блоком датчиков представлена на рис. 7.7.

Магнитная система МГ намагничивает участок контролируемого каната. Магнитные поля рассеяния, вызванные дефектами каната, создают на выходе блока датчиков электрический сигнал, который после усиления и преобразования в цифровую форму обрабатывает­ся в микропроцессоре. В микропроцессор поступают также импуль­сы со счетчика метража. Получаемая информация запоминается и выводится на световой индикатор ЭБ, а также может быть передана на внешний компьютер для хранения, обработки и последующего анализа.

Конструктивно МГ выполнена в виде постоянного разъемного магнита вместе со съемными БД. МГ рассчитана таким образом, что контролируемый канат предварительно промагничивается до насы­щения (точка В„ на рис. 7.2). При износе каната и уменьшении его диаметра параметры петли гистерезиса и величина Вя также умень­шаются. Изменение величины индукции В измеряется датчиками Холла, установленными в БД. Магнитный поток, проходящий через канат, при уменьшении сечения каната уменьшается, а по возду­ху— увеличивается, так как напряженность поля постоянных маг­нитов МГ остается неизменной. Датчики Холла измеряют магнит­ный поток Фо, а также тангенциальную составляющую потока рас сеяния Ф_Д над локальным дефектом в канате. Получаемая с блока датчиков информация записывается по двум каналам: каналу потери сечения (ПС) и каналу локальных дефектов (ЛД). Обработка на ком­пьютере и анализ полученных дефектограмм позволяют оценить как общую потерю сечения каната, так и наличие локальных дефектов (обрывов проволоки) как на поверхности, так и внутри каната. При­меры дефектограмм приведены на рис 7.8.

 

 

Рис. 7.7. Схема магнитной головки дефектоскопа «Интрос» для круглых канатов:

1 — счетчик метража; 2 — магнитная головка; 3 — локальный дефект; 4 — блоки датчиков; 5 — канат

 

Дефекгограмма ПС, %

 

 

Расстояние, м

Рис. 7.8. Примеры дефектограмм по каналам ПС и ЛД

 

Наиболее сложной задачей в области дефектоскопии стальных канатов является контроль их состояния в местах заделки в муфты (рис. 7.9), где часто возникает интенсивная коррозия проволок. Ос­новных причин этого явления несколько. Во-первых, перед залив­кой муфт легкоплавким сплавом (цинк, баббит и др.) концевой уча­сток каната подвергается травлению кислотой и нанесению флюса на его основе. Во-вторых, часть каната, выходящая из муфты, длиной 5... 10 см обвязывается мягкой проволокой, задерживающей пыль и влагу.

 

 

Рис. 7.9. Контроль каната в мес­те заделки в муфту дефектоско­пом «Интрос»:

1 — электронный блок (ЭБ), 2 — магнитная головка (МГ), 3 — муфта.

Основной проблемой контроля каната в зонах заделки является влияние массивной муфты и сопутствующих элементов (натяжных болтов и др.) на величину магнитного потока, измеряемо­го прибором. Эту проблему удалось решить с использованием специ­альной методики обработки дефектограмм, разработанной ООО «Интрон Плюс» с участием инженерного центра АГТУ [20].

Метод магнитной памяти

Методом намагниченности по ГОСТ 18353-79 (см. табл. 1,2) назы­вают метод, основанный на регистрации намагниченности контро­лируемого объекта. В технической литературе данный метод часто называют магнитометрическим, так как при этом измеряются пара­метры магнитного поля объекта и осуществляется их последующий анализ. Наиболее широко данный метод применяется при поиске трасс подземных трубопроводов, для выявления магнитных анома­лий трубопроводов и их бесконтактной диагностики, а также при выполнении экспресс-диагностики локальных участков некоторых видов технологического оборудования. Технология магнитометриче­ского контроля трубопроводов подробно изложена, например в раз­работанном НТ1Д «Транскор-К» РД 102-008-2002 «Инструкция по диагностике технического состояния трубопроводов бесконтактным магнитометрическим методом».

Для экспресс-диагностики локальных участков оборудования наибольшее распространение нашел так называемый метод магнит­ной памяти металла (ММТГ). На самом деле магнитной памятью ме­таллов называется физический эффект, связанный с восстановлени­ем предварительно деформированного образца, а метод ММП к дан­ному эффекту никакого отношения не имеет.

Методом магнитной памяти металла называют метод неразру-шающего контроля, основанный на регистрации распределения ос­таточной намагниченности металла в зоне дефекта (зоне высокого магнитного сопротивления), возникающей под действием техноло­гических и эксплуатационных факторов. В ряде литературных источ­ников этот метод называется магнитометрическим. Метод позволяет по характеру распределения поля остаточной намагниченности на поверхности изделия выявить потенциально опасные участки конст­рукции на стадии предразрушения и разрушения в виде линий и зон концентрации напряжений, деформаций и поверхностных трещин. Впервые этот метод открыл и использовал на Волгоградской ГЭС В.М. Филимонов [12]. Он обнаружил, что нержавеющие трубы выхо­дят из строя намагниченными. В зоне концентрации напряжений возникают поля рассеяния, которые можно обнаружить с помощью магнитометра. В дальнейшем метод получил широкое распростране­ние благодаря работам А.А. Дубова [6].

Намагничивание ферромагнетиков может происходить не только под действием специально созданного внешнего намагничивающего поля или сформироваться под действием технологических, конст­рукционных и эксплуатационных факторов, но и произойти в есте­ственных условиях под действием магнитного поля Земли. Это поле имеет весьма малую напряженность, поэтому намагничивание про­исходит в течение длительного периода времени, при этом изделие должно быть неподвижным относительно направленности поля. Из­делия, перемещающиеся в пространстве в разных направлениях, ес­тественным магнитным полем Земли не намагничиваются.

Наиболее сильно этот эффект проявляется в протяженных трубо­проводах, которые намагничиваются до такой степени, что при сварке трубопроводов возникает значительное отклонение электрической дуги («магнитное дутье»), что существенно затрудняет процесс сварки.

Магнитная память металла проявляется в необратимом измене­нии его намагниченности в направлении действия максимальных напряжений от рабочих нагрузок в процессе эксплуатации изделия. Установлено, что в зонах концентрации напряжений изделий, на­магнитившихся в естественном магнитном поле Земли, где под дей­ствием эксплуатационных нагрузок происходит интенсивное перемещение дислокаций, зарождение и развитие микротрещин, предшествующих разрушению, магнитное сопротивление растет, а характер поля остаточной намагниченности резко изменяется. Нормальная составляющая Н_р напряженности поля остаточной намагни­ченности скачкообразно меняет знак, при этом в центре зоны (на линии) концентрации напряжений (КН) Н_р = 0, а касательная со­ставляющая Н, напряженности максимальна. Аналогичный эффект имеет место и при наличии поверхностных деформаций и трещин.

Распределение магнитного потока в зоне КН (зоне высокого магнитного сопротивления) аналогично приведенному на рис. 7.4, а характер изменения нормальной и касательной составляющих пока­зан на рис. 7.10. Вдоль линии КН нередко происходит повышение твердости металла. Металлографические исследования в этом случае выявляют повреждения структуры металла в той или иной степени.

Значение нормальной составляющей Н_р — 0, и ее скачкообразное изменение более точно определяет положение зоны КН, и в дейст­вующей нормативной документации с применением ММП прини­мается основным диагностическим признаком.

Природа изменения характера поля Н_р в зонах КН на сегодняш­ний день изучена недостаточно. Предполагается, что при перемеще­нии дислокаций и возникновении пластических деформации за счет магнитоупругого и магнитомеханического эффектов в зонах КН од­новременно происходит и разворот доменов, что приводит к измене­нию поля остаточной намагниченности. В местах наибольшей кон­центрации дефектов и неоднородностей структуры образуются узлы закрепления доменных стенок с выходом на поверхность в виде линий смены знака поля Н_р [6]. При этом линия Н_р = 0 соответствует сечению детали с максимальным магнитным сопротивлением.

 

 

Рис 7.10 Характер распределения составляющих поля остаточной намагниченности в зоне концентрации напряжений

Такое распределение поля остаточной намагниченности в нагруженных конструкциях формируется только в малом внешнем поле, каким яв­ляется магнитное поле Земли, когда энергия деформации намного превосходит энергию внешнего магнитного поля.

Характер распределения поля Н_р можно оценить или с помощью универсальных магнитометров, или с помощью специализированных магнитометров-индикаторов напряжений типа ИКН-1М, выпускае­мых НПО «Энергодиагностика» (г. Реутов Московской обл.). Допол­нительно для количественной оценки уровня концентрации опреде­ляется градиент (интенсивность изменения) К_ин нормальной состав­ляющей остаточного магнитного поля при переходе через линию концентрации напряжений Н_р = 0:

Где – модуль разности поля между двумя точками контроля, расположенными на равных отрезках l_k по обе стороны от линии H_p=0.

При этом отрезки l_k расположены перпендикулярно линии H_p=0, что обусловлено их совпадением с направлением главных (максимальных) растягивающих или сжимающих напряжений. По величине градиента напряженности магнитного поля можно судить о степени опасности возникших в объекте дефектов или концентрации напряжений.

Определяют максимальное и среднее значения всех зон КН, выявленных при контроле объекта. Далее выявляют зоны КН с самыми большими значениями и вычисляют отношение m:

m= / .

 

Если т превышает m_пр, то делается вывод о предельном состоя­нии металла, предшествующем повреждению объекта контроля. Ве­личина т_пр характеризует деформационную способность металла на стадии упрочнения перед разрушением и определяется по специаль­ной методике.

Наиболее опасными элементами современных промысловых и магистральных трубопроводов и нефтехранилищ являются их свар­ные соединения. Наряду с остаточными термическими напряже­ниями после сварки в швах могут образоваться различные техноло­гические дефекты (непровары, подрезы, газовые поры, шлаковые включения и др.), создающие условия для возникновения концен­трации напряжений. В дополнение к сложным статическим и цик­лическим эксплуатационным нагрузкам (под действием собствен­ного веса и технологической среды, тепловых расширений, цик­личности рабочего давления и температуры, неравномерности распределения температуры и воздействия коррозии и т.д.) могут действовать неучтенные нагрузки, например из-за нарушения рас­четного состояния опорно-подвесной системы, защемления от­дельных участков конструкции, просадки фундамента и т. п. В ре­зультате прежде всего в сварных соединениях возникают поврежде­ния, которые развиваются по механизму усталости, ползучести, коррозии, дисперсионного охрупчивания при повторном нагреве, водородного охрупчивания.

По трудоемкости ММП-контроль относится к экспресс-методам, что позволяет резко увеличить объем проконтролированных участ­ков трубопроводов и нефтехранилищ и прежде всего их сварных со­единений.

Основная задача ММП-контроля — определение на объекте кон­троля наиболее опасных участков и узлов, характеризующихся зона­ми КН. Затем с помощью других методов неразрушающего контроля (например, ультразвукового или рентгеновского) в зонах КН опреде­ляется наличие конкретного дефекта.

Основные преимущества нового метода неразрушающего кон­троля по сравнению с известными методами следующие:

• не требует применения специальных намагничивающих уст­ройств, так как используется явление намагничивания металла сосу­дов и трубопроводов под действием рабочих нагрузок в магнитном поле Земли;

• места концентрации напряжений заранее не известны и опре­деляются в процессе контроля;

• не требует зачистки металла и другой какой-либо подготовки контролируемой поверхности;

• для выполнения контроля используются приборы, имеющие Малые габариты, автономное питание и регистрирующие устройства.

Факторами, ограничивающими применение метода ММП, явля­ются:

• искусственная намагниченность металла;

• постороннее ферромагнитное изделие на объекте контроля;

• наличие вблизи (ближе 1 м) объекта контроля источника
внешнего магнитного поля;

• перемещение объекта контроля в пространстве относительно
направления магнитного поля Земли.

Магнитная структуроскопия

Все изменения в структуре материала в процессе его изготовле­ния, обработки, зарождения и развития повреждений отражаются в соответствующих изменениях магнитных и электрофизических пара­метров. Появление этих изменений объясняется разворотом и пере­мещением доменов и междоменных границ, составляющих в сово­купности доменную структуру материала. В основу методов магнит­ной структуроскопии положена корреляция между некоторыми магнитными и физико-механическими свойствами материалов, ко­гда они одновременно зависят от одних и тех же факторов: химиче­ского состава, режима термообработки, напряженного состояния, накопления усталостных повреждений и др. По использованным магнитным информативным параметрам различают следующие раз-новидности магнитной структуроскопии:

• ферритометрия;

• коэрцитиметрия;

• контроль по остаточной намагниченности;

• контроль по магнитной проницаемости;

• контроль по магнитным шумам.

Наибольшее распространение нашли две первые разновидности магнитной структуроскопии.

Ферритометрия применяется для контроля ферритной фазы, по­вышенное содержание которой снижает трещиностойкость сталей и особенно сварных соединений. Содержание этой фазы определяет магнитную проницаемость материала, поэтому для ее определения измеряют магнитное сопротивление. Измерительным элементом ферритометра является одно- или двухполюсный феррозондовый магнитный преобразователь, содержащий возбуждающую и измери­тельную катушки. Магнитный поток, создаваемый возбуждающей катушкой феррозонда, зависит от магнитного сопротивления участка объекта контроля, определяемого содержанием ферритной фазы. Поэтому ее величину оценивают по ЭДС, наведенной при этом в из­мерительной катушке. Градуировка ферритометров производится по эталонным образцам с известным содержанием ферритной фазы. Большую погрешность при измерении может внести изменение зазо­ра между преобразователем и поверхностью объекта контроля, а так­же геометрия этой поверхности (край, кривизна).

Наиболее широко в структуроскопии используется зависимость между твердостью углеродистых и низколегированных сталей и их силой. Твердость в свою очередь определяется темпе­ратурой закалки и отпуска, что позволяет использовать коэрцитив­ную силу для контроля режимов термообработки стали.

В последние годы коэрцитиметрия стала широко применяться для контроля напряженного состояния металлоконструкций опас­ных производственных объектов различного назначения, что являет­ся весьма актуальным для технической диагностики. Так, ЗАО «ИКЦ КРАН» (г. Москва) совместно с научно-производственной фирмой «Специальные научные разработки» (г. Харьков, Украина) под руко­водством Б.Е. Попова разработали методику, создали аппаратуру и подготовили согласованный с Госгортехнадзором РФ нормативный документ: РД ИКЦ «КРАН» 009-99 «Магнитный контроль напря­женно-деформированного состояния и остаточного ресурса сосудов, работающих под давлением, при проведении экспертизы промыш­ленной безопасности». Данная методика позволяет по величине ко­эрцитивной силы Н_с определить действующие напряжения в упруго-пластической области, степень деформации и остаточный ресурс ме­таллоконструкций при циклическом нагружении. Установлено, что микро- и макродефекты структуры углеродистых и малолегирован­ных сталей, накапливаясь в процессе циклического нагружения, как бы собирают и хранят информацию, однозначно связанную с макси­мальными величинами действовавших нагрузок, в результате чего структура доменов выполняет функции магнитной памяти повреж-денности металла. Согласно теории Е.И. Кондорского, изменения внутренних напряжений и связанная с ними деформация мате­риала , вызывают смещение доменных границ и необратимое на­магничивание, характеризуемое пропорциональными изменениямикоэрцитивной силы

,

Где – изменение линейных размеров – магнитострикция; - абсолютная магнитная проницаемость; - намагниченность; - среднее значение амплитуды внутренних напряжений; - толщина границы доменов; L - длина волны напряжения в металле.

 

Коэрцитивная сила H_с, представляющая собой напряженность Магнитного поля, необходимая для уменьшения намагниченности До нуля, является более информативным параметром, так как свя­зана с магнитной энергией и внутренним полем анизотропии, различным для каждого типа стали. Величина Н_с наряду с началь­ным и приложенным напряжениями определяется тонкой структу­рой металла и зависит от химического и фазового состава, размера зерна, плотности дислокаций, внутренних напряжений и дисло­каций.

При наличии корреляционной зависимости между Н_с и остаточной пластической деформацией Е_пл по величине коэрцитивной силы можно вести контроль накопления упругопластических деформаций и повреждений в металле, а также усталостной прочности конструк­ций. Практически все виды традиционных низкоуглеродистых и малолегированных сталей, применяемые для изготовления объектов котлонадзора, а в равной степени и для объектов нефтегазовой про­мышленности, относятся к классу разупрочняемых, у которых значение Н_с в состоянии поставки невысокое (2...6 А/см), а при эксплуатации текущая величина Н_с возрастает до разрушения в 2—3 раза. Для таких сталей, как правило, существует устойчивая связь магнитных и механических свойств с коэффициентом корреля­ции не ниже 0,9. Для сталей типа СтЗ, Ст20, 09ГС2 и им подобных она может быть представлена линейной зависимостью вида

Н_с =Н_с⁰ + AE

где Н_с⁰ — величина коэрцитивной силы в состоянии поставки;

А — коэффициент, характерный для каждой марки стали; Е — де­формация.

Аналогичный вид имеет и зависимость Н_с(). По результатам статических испытаний образцов при растяжении и статистического анализа оформляются номограммы для контроля напряжений по ве­личине коэрцитивной силы (рис. 7.11).

 

 

 

12 Не, А/см

 

Рис. 7.11. Номограммы для контроля по коэрцитивной силе напряжений при одноосном растяжении плоских образцов из конструкционных сталей

 

Номограммы в виде линейных зависимостей Н_с() позволяют оперативно вычислить максимальные действующие напряжения с погрешностью около 5 % и выявить места с наибольшей концентра­цией напряжений в элементах металлоконструкций.

 

 

 

Рис. 7.12. Измерение коэрцитив­ной силы на плоских образцах из сталей СтЗ, Ст20 и 09Г2С при ис­пытании на растяжение непосред­ственно под нагрузкой и после разгрузки на каждой ступени нагружения

 

Для всех типов конструкционных сталей могут быть построены также свои экспериментальные зависимости между коэрцитивной силой и максимальными действующими напряжениями а или де­формациями Е в процессе ступенчатого нагружения с последующей разгрузкой (рис. 7.12).

На примере сталей СтЗ, Ст20, 09Г2С видно, что после разгрузки величина Нс остается постоянной, равной исходной Н_с⁰, вплоть до достижения предела текучести металла . В области течения и разу­прочнения металла начинается необратимая перестройка домен­ной структуры за счет разворота на 90 и 180° доменных границ. После перехода в упруго-пластическую область Н_с линейно возраста­ет до значения Н_с^в, соответствующего пределу прочности металла б_в. Под нагрузкой величина Н_е растет сразу после начала нагруже­ния до величины Н_с^Т, соответствующей пределу текучести металла _т. А после небольшой площадки или зуба текучести при повышении нагрузки в области необратимых деформаций рост Н_с продолжается одновременно с формированием новой доменной структуры и ак­тивным накоплением повреждений в металле вплоть до значения Н_с^в, при котором происходит разрушение металла. После образова­ния и раскрытия магистральной трещины происходит частичное снятие напряжений в зоне развития трещин и снижение Н_с. Макси­мальное значение Н_с ^в соответствует пределу прочности металла _в. Таким образом, энергия, затрачиваемая на работу разрушения Металла, и максимальное значение Н_с^в как при измерении непо­средственно под нагрузкой, так и после разгрузки на каждой ступени нагружения практически одинаковы. В случае если стальной образец до испытаний имел остаточные напряжения сжатия (на­пример, после обкатки), то при растяжении Н_с сначала снижается до H_с⁰, а затем растет по механизму, описанному выше. Аналогичный процесс может наблюдаться и в трубах, прошедших экспандирование при изготовлении. Структурные и магнитные превращения здесь связаны со снятием напряжения одного знака и формированием до­менной структуры под действием напряжения обратного знака.

Энергетический подход правомерен и при анализе усталостного разрушения магнитным методом. Запас энергии, затрачиваемой на накопление повреждений и разрушение, примерно одинаков для данных марок сталей как при статическом, так и циклическом нагружениях, т. е. Н_с^в ~ Н_с^уст.

Величина Н_с определяется векторной суммой действующих на­пряжений первого, второго и третьего родов. Поэтому при магнит­ном контроле напряженно-деформированного состояния металло­конструкций необходимо учитывать не только абсолютные значения напряжений, но и их направление по отношению к расположению магнитных силовых линий в месте контроля.

Напряжения третьего рода определяются структурой и химиче­ским составом металла. Напряжения второго рода являются началь­ными и формируются при изготовлении конструкции. Они увеличи­вают коэрцитивную силу и образуют в металле поля остаточных напряжений определенного знака. Напряжения первого рода обу­словлены воздействием эксплуатационных нагрузок. Эти напряже­ния, накладываясь на предыдущие, могут как уменьшать, так и увеличивать Н_с в области упругих деформаций в зависимости от на­правления действия последних. Однако при переходе в упругопластическую область напряжения первого рода оказывают преобладаю­щее влияние, и под их действием коэрцитивная сила возрастает по закону, близкому к линейному, вплоть до Н_с^в, соответствующей пре­делу прочности данного материала.

Для измерения коэрцитивной силы используют коэрцитиметры с приставным электромагнитом. Ранее в течение ряда лет отече­ственной промышленностью серийно выпускался коэрцитиметр КИФМ-1, включающий приставной электромагнит с феррозондовым преобразователем. С 1998 г. МНПО «Спектр» (г. Москва) со­вместно с научно-производственной фирмой «Специальные научные разработки» приступили к серийному выпуску цифрового полуавто­матического структуроскопа-коэрцитиметра КРМ-ЦК-2, в пристав­ном П-образном электромагните которого использован в качестве магнитного преобразователя датчик Холла. Схема приставного элек­тромагнита приведена на рис. 7.13.

Модель КРМ-ЦК-2 имеет автономное питание — портативный аккумулятор, выполненный заодно с измерительным блоком, поэто­му его можно использовать при диагностировании различных объек­тов как в полевых, так и во взрывопожароопасных условиях. Принцип

 

Рис. 7.13. Схема приставного П-образного электромагнита:

1-электромагнит, 2-Датчик Холла

 

действия прибора основан на вычислении коэрцитивной силы по измеряемому току компенсации оста­точной магнитной индукции в замкну­той магнитной цепи, составленной из магнитол ров ода приставного электро­магнита и контролируемого изделия. Цикл измерений включает этапы: на­магничивание контролируемого изде­лия; компенсация остаточной намаг­ниченности; вычисление коэрцитив­ной силы; индикация результатов измерения.

Намагничивание осуществляется путем пропускания импульсов посто­янного тока по обмотке возбуждения приставного электромагнита (см. рис. 7.13).

При этом участок из­делия между полюсными наконечниками промагничивается до на­сыщения. После выключения тока в обмотке в магнитной цепи электромагнита за счет остаточной индукции контролируемого из­делия существует остаточный магнитный поток, создающий сигнал на выходе датчика Холла. Далее осуществляется автоматическая компенсация остаточной намагниченности путем пропускания по обмотке тока противоположного направления. Ток компенсации увеличивается до тех пор, пока магнитный поток в цепи не станет равным нулю. Этому состоянию соответствует отсутствие выходно­го сигнала на датчике Холла, т. е. датчик Холла играет роль нуль-индикатора. Чем больше величина Н_с тем больше должен быть размагничивающийся ток компенсации. По величине тока компен­сации магнитного поля вычисляется значение коэрцитивной силы, после чего происходит включение цифровой индикации величины коэрцитивной силы на табло передней стенки прибора. Для оценки напряженно-деформированного состояния металлоконструкций контролируемого объекта при его диагностировании достаточно провести анализ распределения величины Н_с по поверхности объ­екта, выявить наиболее нагруженные элементы (Н_c^max) и сравнить эти значения с Н_с^Т или Н_с^в, соответствующими пределам текучести и прочности металла, из которого изготовлен объект. Если металл объекта работает в упругой или упруго-пластической области, то значения Н_с пересчитывают по номограммам для данной марки стали в напряжения б и сравнивают их с допустимыми ( _доп), полу­ченными при расчете на прочность.

В качестве примера на рис. 7.14 (прил. 3 РД ИКЦ «КРАН» 009-99) приведены результаты контроля сосудов-воздухосборников В-10, Широко применяемых на различных промышленных объектах, в том числе и в нефтегазовой отрасли. Контролировалось два воздухосбор­ника, изготовленных из стали СтЗсп и отработавших по 25 лет при среднем давлении соответственно ~ 0,6 и ~ 0,8 МПа. Величина Н_с измерялась в двух взаимно перпендикулярных направлениях X и У вдоль линии контроля в точках 0—16. Для наглядности и удобства анализа коэрцитивная сила Н_сх в направлении X и кольцевые напря­жения а_х откладывались слева по оси X, а аналогичные параметры Н_су и _у - справа по оси У.

 

Рис. 7.14. Результаты контроля коэрцитивной силы и напряженного состояния воздухосборника

 

Допускаемые напряжения в стенке возду­хосборника составляли _доп = 140 МПа, фактические напряжения в различных точках определялись по номограмме, приведенной на рис. 7.11.

Из анализа рис. 7.14 следует, что максимальные напряжения воз­никают в зонах сварных соединений элементов обечайки между со­бой, а также с крышкой и основанием воздухосборников. Величина максимальных напряжений для воздухосборника, работавшего под давлением 0,8 МПа, в этих зонах превышает величину допускае­мых напряжений, а коэрцитивная сила Н_су в точке 1 выше величины Н_c^t = 5,3 А/см, соответствующей пределу текучести для стали СтЗсп. Аналогичные параметры для воздухосборника, работавшего под дав­лением 0,6 МПа, значительно ниже, что позволяет эксплуатировать его и далее без каких-либо ограничений.

Важным преимуществом коэрцитиметрического метода являет­ся его простота, недостатками — ограниченность круга решаемых задач и видов ферромагнитных материалов. Также отсутствуют данные о возможности использования этого метода для контроля непосредственно сварных швов, являющихся, как правило, наибо­лее слабым звеном металлоконструкций технологического оборудо­вания.

Разрушение металлоконструкций всегда происходит по наиболее нагруженной зоне с максимальным уровнем действующих напряже­ний. Наличие в такой зоне концентратора напряжений резко усугуб­ляет ситуацию. В окрестности концентраторов напряжений много­кратно ускоряются процессы ползучести и усталости металла, поэтому их своевременное выявление имеет первостепенное значение. Усло­виями разрушения металлической конструкции, изготовленной из конструкционной стали, является величина максимальных напряже­ний в зоне концентратора (КМН) и высокий градиент разности глав­ных механических напряжений (РГМН). Из сопротивления материа­лов известно, что для упруговязких конструкционных сталей наиболее точным является третий критерий прочности (критерий Треска), со­гласно которому необходимым условием трещины является

 

Где – касательные напряжения; - разность главных механических напряжений; - допустимые касательные напряжения (принимаются равными пределу текучести металла).

 

Другими словами, для надежной оценки текущего технического состояния конструкции помимо КМН необходимо знание градиента РГМН.

Известно, что под действием механических напряжений и де­формаций магнитные свойства материалов изменяются неравномер­но. Структура металла в зоне концентраторов напряжений и на­правление вектора намагниченности отличаются от соседних зон. Это изменение можно выявить с помощью метода неразрушающего контроля, основанного на магнитомеханической анизотропии ме­талла.

Наиболее общей характеристикой магнитных свойств металла при заданном напряженно-деформированном состоянии является нредельная петля гистерезиса (см. рис. 7.2), параметры которой оп­ределяются индукцией В_s и напряженностью Н_max магнитного поля на­сыщения, остаточной индукцией В_r и коэрцитивной силой Н_с. Одно­значно установить функциональную зависимость между каким-то отдельным параметром петли гистерезиса и напряженно-деформи­рованным состоянием конструкции, изготовленной из ферромагнит­ного материала, как показывает теория магнитного контроля, не уда­ется. Связь между этими параметрами определяется корреляционны­ми зависимостями с определенной достоверностью.

Исследованиями Института проблем технической диагностики и Неразрушающих методов испытаний «ДИМЕНСтест» (г. Санкт-Пе­тербург) установлено, что распределение различий в напряженном состоянии на поверхности конструкции функционально связано c комплексом параметров соответствующих петель магнитного гисте­резиса. Измерение ряда параметров петли гистерезиса резко повы­шает достоверность распознавания. Кроме того, одновременно изме­ряется угол поворота вектора магнитной индукции, определяемый зависимостью магнитной анизотропии металла от его напряженного состояния. Математическая обработка по соответствующему алго­ритму результатов измерений перечисленных магнитных параметров позволяет установить фактическое распределение напряженного со­стояния на контролируемом участке конструкции, в том числе в сварных швах.

Измерение магнитных параметров осуществляют с помощью при­бора магнитоанизотропного сканера-дефектоскопа «Комплекс 2.05».Обработка результатов измерений на компьютере по специальной программе позволяет получить картограммы разности главных меха­нических напряжений, концентраторов механических напряжений и областей пластических деформаций (ОПД). Опасные участки контро­лируемой поверхности содержат изображение форм КМН и линий изостресс (линий, равных РГМН) с указанием численных значений и знака напряжений (растягивающие «+», сжимающие «—»), что позво­ляет непосредственно по картограмме оценить степень опасности вы­явленных дефектов и, при необходимости, определить наиболее эф­фективные методы ремонтно-восстановительных работ.

Дефектоскопом в общем случае называют прибор, предназначен­ный для обнаружения и измерения дефектов. В этом смысле прибор «Комплекс 2.05» не является дефектоскопом: по утверждению разра­ботчиков, его следует отнести к новому классу средств технической диагностики. Не всякий дефект в виде разрыва сплошности или ино­родного включения создает местную КМН или высокий градиент РГМН. Если в зоне контроля этим прибором имеется дефект, не соз­дающий возмущение поля напряжений и не являющийся концентра­тором напряжений, то данный дефект на картограммах РГМН и КМН не будет обозначен. Наличие таких дефектов не препятствует безопасной эксплуатации металлоконструкции. В то же время любой существенный концентратор напряжений в виде дефекта даже весь­ма малых размеров или дефекта, вообще не имеющего нарушения (разрыва) сплошности среды и не обнаруживаемого традиционными методами дефектоскопии, может быть выявлен на карте РГМН и КМН. К ним могут быть отнесены, например, такие опасные дефек­ты, как тонкие трещины, зарождающаяся межкристаллитная коррозия и др.

Прибор «Комплекс 2.05» предназначен прежде всего для контре ля сварных соединений магистральных трубопроводов, резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов, сосудов под давлением и других объектов, имеющих развитую поверхность.

 

 

⇐ Предыдущая19202122232425262728Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: