7.6. 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.