Патент на изобретение №2173838
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ИЗДЕЛИЯ ПО МАГНИТНЫМ ПОЛЯМ РАССЕЯНИЯ
(57) Реферат: Изобретение относится к способам контроля напряженно-деформируемого состояния (НДС) изделия по остаточной намагниченности материала и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Данный 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. Данное изобретение позволяет расширить возможности определения НДС для различных материалов изделий, в частности становится возможным определение НДС как для ферромагнитных, так и для парамагнитных материалов, а также увеличить арсенал средств для определения количественного и качественного состояния исследуемого изделия. 1 з.п. ф-лы, 5 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 определения напряженно-деформированного состояния изделия из ферромагнитного материала по магнитным полям рассеяния, включающий измерение нормальной составляющей Hp напряженности магнитного поля вдоль поверхности изделия в различных его точках, определение градиента величины напряженности магнитного поля на зафиксированном по длине отрезке линии, определение зоны максимальной деформации по максимальному значению измеренного градиента (1). В этом способе для его осуществления необходимо фиксировать линию с нулевым значением величины напряженности магнитного поля. Вдоль зафиксированных линий на равном заданном расстоянии от каждой линии по обе стороны от них измеряют градиент величины напряженности магнитного поля по длине отрезка, проходящего через линию с нулевым значением напряженности. Ограничениями технических возможностей этого способа являются: возможность исследования только ферромагнетиков, трудоемкость определения линии с нулевым значением магнитного поля рассеяния и, соответственно, зоны максимальной концентрации напряжений и деформаций, а также большая длительность и погрешность измерений. Наиболее близким способом является способ определения напряженно-деформированного состояния изделия по магнитным полям рассеяния, включающий измерение нормальной составляющей Hp напряженности магнитного поля на поверхности изделия одновременно в двух точках на концах зафиксированного по длине lb отрезка линии, последующее измерение нормальной составляющей Hp одновременно в двух точках на концах зафиксированного по длине lb отрезка линии, компланарно отстоящего вдоль поверхности изделия на расстояние lk от первоначального отрезка, измерение нормальной составляющей Hp в двух точках на концах зафиксированного по длине lb отрезка на равных расстояниях lk от каждого предыдущего отрезка измерения, соблюдая компланарность отрезков измерений, определение градиентов величин нормальной составляющей Hp напряженности магнитного поля в двух точках на концах зафиксированных по длине отрезков lb и lk, сравнение упомянутых градиентов и определение по максимальному значению одного из упомянутых градиентов зоны максимальной деформации (2). 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. Решаемая изобретением задача – расширение функциональных возможностей и увеличение арсенала средств для определения количественного и качественного состояния изделия. Технический результат, который может быть получен при осуществлении заявленного способа, – обеспечение возможности применения способа как для изделий из ферромагнитного материала, так и для изготовленных из парамагнитного материала; возможность определения состояния материала изделия – т. е. найти изделия, годные к дальнейшей эксплуатации, и выявить изделия, находящиеся в состоянии, предшествующем разрушению. Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном способе определения напряженно-деформированного состояния изделия по магнитным полям рассеяния, включающем измерение нормальной составляющей Hp напряженности магнитного поля на поверхности изделия одновременно в двух точках на концах зафиксированного по длине lb отрезка линии, последующее измерение нормальной составляющей Hp одновременно в двух точках на концах зафиксированного по длине lb отрезка линии, компланарно отстоящего вдоль поверхности изделия на расстояние lk от первоначального отрезка, измерение нормальной составляющей Hp в двух точках на концах зафиксированного по длине lb отрезка на равных расстояниях lk от каждого предыдущего отрезка измерения, соблюдая компланарность отрезков измерений, определение градиентов величин нормальной составляющей Hp напряженности магнитного поля в двух точках на концах зафиксированных по длине отрезков lb и lk, сравнение упомянутых градиентов и определение по максимальному значению одного из упомянутых градиентов зоны максимальной деформации, согласно изобретению дополнительно определяют для материала образца изделия магнитный показатель mпр статического и/или циклического деформационного упрочнения, для чего измеряют градиент ![]() ![]() ![]() где Kср1, Kср2, . . . Kсрi – средневзвешенные значения градиента поля соответственно по первому, второму, … i-му каналу измерений в точках на концах зафиксированных по длине отрезков lk, где количество каналов измерений не менее двух, а Kсрb – средневзвешенные значения градиента поля в точках на концах зафиксированного по длине отрезка lb. ![]() i = 1, 2 … n – количество зафиксированных по длине отрезков lk или lb, выделяют по каждому каналу измерений максимальные средневзвешенные значения градиента поля соответственно Kmax1, Kmax2, … Kmaxi, Kmaxb, и вычисляют отношения ![]() сравнивают m1, m2, …. mi, mb с магнитным показателем mпр и определяют зону, в которой одно из отношений m1, m2, … mi, mb равно или превышает mпр, являющейся зоной предельного состояния материала изделия, соответствующей состоянию предразрушения. Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшими вариантами его осуществления со ссылками на прилагаемые фигуры. Фигура 1 изображает результаты контроля аустенитного змеевика N 74 выходной ступени пароперегревателя котла БКЗ-320-ГМ ст.N 5 Дягилевской ТЭЦ, где 1 – зависимость нормальной составляющей Hp 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 Hp – линия с нулевым значением напряженности, dн – наружный диаметр пароперегревателя котла, зоны КН показаны жирной линией; фиг. 3 – графики изменения градиентов нормальной составляющей Hp 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 x, – обозначает сталь 10; график с o – обозначает сталь 12Х1МФ; а график с ![]() фиг. 5 – графики изменения градиента поля при малоцикловой нагрузке растяжением ( ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() где Kср1, Kср2, . . . Kсрi – средневзвешенные значения градиента поля соответственно по первому, второму, … i-му каналу измерений в точках на концах зафиксированных по длине отрезков lk, где количество каналов измерений не менее двух, а Kсрb – средневзвешенные значения градиента поля в точках на концах зафиксированного по длине отрезка lb, ![]() i = 1, 2 … n – количество зафиксированных по длине отрезков lk или lb. Далее выделяют по каждому каналу измерений максимальные средневзвешенные значения градиента поля соответственно Kmax1, Kmax2, … Kmaxi, Kmaxb и вычисляют отношения ![]() Сравнивают m1, m2, … mi, mb с предельным отношением mпр. Зона максимальной деформации, в которой одно из отношений 1, m2, … mi, mb равно или превышает mпр, является зоной предельного состояния материала изделия, соответствующей состоянию предразрушения. Ограничением известных ранее способов является область их применения только на изделиях из ферромагнитного материала. В предложенном способе область применения распространяется на изделия из ферро- и парамагнитного материала. Под воздействием пластической деформации в парамагнитных материалах (например, никелевых аустенитных сталях) возникают эффекты дислакационно-усиленной релаксации. Очевидно, что при этом на скоплениях дислокаций в магнитном поле Земли возникает собственное магнитное поле рассеяния (СМПР), фиксируемое магнитометрами. Этот эффект можно использовать для определения зон концентрации напряжений (КН), вызывающих пластическую деформацию, путем измерения СМПР на изделии, выполненном из аустенитных сталей. Точность исследования характеристик изделия из парамагнитного материала улучшается за счет определения средневзвешенных значений градиента. На фиг. 1, 2 показаны фрагменты, иллюстрирующие проявление эффекта дислокационно-усиленной релаксации. “Всплеск” магнитного поля рассеяния, зафиксированный при контроле, характеризует зону КН, образовавшуюся на трубе пароперегревателя (ст. 1Х18Н12Т) котла под действием рабочих нагрузок. Возможность определения магнитного показателя mпр можно проиллюстрировать 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, расположенным по краям образца, измеряют нормальную составляющую Hp 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 lb на фиксированные отрезки lk – показаны на фиг. 3, как ![]() ![]() ![]() ![]() Измерение Hp и определение значения градиента K величины нормальной составляющей Hp 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 ( ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Полученное таким образом соотношение mпр на образцах предлагается использовать для изделий, изготовленных из той же марки стали, при их контроле по заявленному способу. Значительная часть узлов оборудования работает в условиях циклических нагрузок. В этом случае для получения магнитного показателя mпр для конкретных изделий необходимо провести испытания образцов 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 Hp = 0). По мере роста циклической нагрузки, например, через каждые 500 или 1000 циклов, вдоль этих образующих делается измерение нормальной составляющей поля Hp. В момент измерения нормальной составляющей Hp приложение нагрузки останавливается. Время остановки не должно быть большим (порядка 5-10 мин) и должно быть примерно одинаковым для каждого последующего измерения через очередные 1000 циклов нагружения. Определение градиента K осуществляется автоматически с помощью процессора специализированного магнитометра. На фиг. 5 показан пример изменения градиента K на “корсетном” образце из стали 20 в условиях малоцикловой нагрузки растяжения ( ![]() ![]() ![]() ![]() Характерно, что значение магнитного показателя mпр, получаемое при таких испытаниях на одних и тех же образцах при статическом и циклическом нагружении оказывается примерно равным. Это соотношение, очевидно, характеризует деформационную способность металла на стадии упрочнения перед разрушением. Следует отметить, что абсолютное значение Kmax и Kср, 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 K 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 и выбрано в качестве критериального. При пересечении датчиком сканирующего устройства перпендикулярно линии КН значение градиента нормальной составляющей Hp, как правило, превышает в 2 раза и более значение K, полученное при сканировании датчиком вдоль линии КН. Линия КН (линия Hp = 0) интерпретируется как линия главных напряжений, указывающая место расположения площадки скольжения, перпендикулярно которой действуют максимальные растягивающие, а вдоль нее сжимающие напряжения. В лабораторных исследованиях получено соотношение магнитоупругих характеристик для напряжений растяжения и сжатия, как ![]() 1. Патент Российской Федерации N 2029263, G 01 L 1/12, опубл. 1995 г. 2. Международная заявка PCT N WO 99/02982, G 01 L 1/12, опубл. 1999 г. Формула изобретения
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() где Kср1, Kср2 – средневзвешенные значения градиента поля соответственно по первому и второму каналу измерений в точках на концах зафиксированных по длине отрезков lk; Kсрb – средневзвешенные значения градиента поля в точках на концах зафиксированного по длине отрезка lb; ![]() n – общее количество зафиксированных отрезков lk или lb, выделяют по каждому каналу измерений максимальные средневзвешенные значения градиента поля соответственно Kmax1, Kmax2, Kmaxb, и вычисляют отношения ![]() ![]() ![]() сравнивают m1, m2, mb с магнитным показателем mпр, и определяют зону, в которой одно из отношений m1, m2, mb равно или превышает mпр, являющуюся зоной предельного состояния материала изделия, соответствующего состоянию предразрушения. 2. Способ по п. 1 отличающийся тем, что количество каналов измерений выбрано больше двух. РИСУНКИ
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 27.07.2002
Номер и год публикации бюллетеня: 10-2004
Извещение опубликовано: 10.04.2004
|
||||||||||||||||||||||||||