7.7. 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.