Общие сведения о магнитоанизотропном методе
Для исследования полей механических напряжений могут использоваться приборы, относящиеся к классу электромагнитных измерителей напряжений. Принцип их действия основан на использовании магнитоупругого эффекта, под которым понимается свойство ферромагнитных материалов изменять магнитное состояние под влиянием механических напряжений. На магнитоупругом эффекте основан принцип действия магнитоупругих и магнитоанизотропных преобразователей.
Высокие значения погрешностей, получаемые при стандартном подходе к решению задачи, и игнорирование некоторых физических явлений долгое время являлись препятствием для внедрения электромагнитных методов на практике. Известно, что верхний слой (до 0,2 мм) металла находится в нехарактерном для конструкции напряженном состоянии (наклеп, азотирование, цементация, механические микроцарапины и пр.). Из-за этого возникают трудности применения, например, приборов на основе эффекта Баркгаузена. Другими причинами низкой достоверности контроля механических напряжений с помощью электромагнитных полей являются магнитомеханический гистерезис и попытки получения результата по одному из параметров петли гистерезиса (например, только по коэрцитивной силе Hc или только по остаточной индукции Br).
Рис. 1
Детальный учет физической природы явления, а также того факта, что вся полезная информация содержится в нескольких параметрах петли гистерезиса (рис.1), позволили разработать приборы STRESSVISION® (“Комплекс-2”). При этом потребовалось создать специальный алгоритм обработки информации.
Любая зависимость между B и δ имеет точку инверсии, после которой связь между B и δ становится обратной, т.е. один и тот же уровень выходного сигнала может быть получен для двух различных механических напряжений. Такое явление магнитомеханического гистерезиса наблюдается, например, вблизи и в самой зоне пластического течения. А поскольку при монтаже стальных конструкций используется исходный материал, испытавший в процессе подготовки и монтажа многочисленные знакопеременные механические воздействия, в том числе и местные пластические деформации, известные измерители напряжений нередко дают ложные результаты. Алгоритм обработки информации, получаемой с помощью приборов STRESSVISION®, в частности, позволил решить проблему магнитомеханического гистерезиса [1] ¹.
Магнитоанизотропные («крестовые») преобразователи, с которыми работают приборы серии STRESSVISION®, представляют собой два взаимно-перпендикулярных П-образных магнитопровода, на одном из которых располагается обмотка возбуждения, на другом - измерительные обмотки. Преобразователи используют анизотропию магнитных свойств, возникающую в ферромагнетике при нагружении внешней силой, и свободны от недостатков приборов, использующих магнитоупругие преобразователи [2]².
Установлено, что связь между механическими напряжениями и магнитными свойствами среды характеризуется магнитоупругой чувствительностью:
где B- магнитная индукция (характеризуется величиной и направлением действия),
δ - механическое напряжение.
Принцип действия магнитоанизотропного преобразователя основан на эффекте поворота вектора магнитной индукции B, создаваемой первичной обмоткой в зоне измерений.
Величина U напряжения на выходе измерительной обмотки ω описывается формулой:
δ - механическое напряжение.
Принцип действия магнитоанизотропного преобразователя основан на эффекте поворота вектора магнитной индукции B, создаваемой первичной обмоткой в зоне измерений.
Величина U напряжения на выходе измерительной обмотки ω описывается формулой:
где B - усредненное значение индукции;
Sο - площадь, охватываемая обмоткой;
K - коэффициент пропорциональности;
β - угол между плоскостью измерительной обмотки и вектором магнитной индукции B;
fπ - частота питающего напряжения.
Формула получена для одинакового направления векторов δ и β . Поворот вектора β можно характеризовать изменением его ортогональных составляющих.
Более детальный анализ показывает, что выходной сигнал «крестового» магнитоанизотропного преобразователя сразу (т.е. до какой-либо обработки) выдает сигнал, пропорциональный разности главных механических напряжений (РГМН):
Sο - площадь, охватываемая обмоткой;
K - коэффициент пропорциональности;
β - угол между плоскостью измерительной обмотки и вектором магнитной индукции B;
fπ - частота питающего напряжения.
Формула получена для одинакового направления векторов δ и β . Поворот вектора β можно характеризовать изменением его ортогональных составляющих.
Более детальный анализ показывает, что выходной сигнал «крестового» магнитоанизотропного преобразователя сразу (т.е. до какой-либо обработки) выдает сигнал, пропорциональный разности главных механических напряжений (РГМН):
Полученный результат очень важен, так как согласно 3-у критерию прочности (критерий Треска) разрушение материала происходит, когда
Приборы STRESSVISION® Expert позволяют определять РГМН в единицах измерения механических напряжений (Н/мм2), младшие версии – в условных единицах, т.е.применимы для качественных сравнении («больше – меньше –равно»).
Сканеры механических напряжений «STRESSVISION®» позволяют обнаружить КМН и градиенты, показать их точные координаты и количественно оценить их развитие без дополнительных измерений. Это позволяет, с одной стороны, делать выводы о текущем техническом состоянии обследованного участка [4] и приступать к оценке остаточного ресурса, а, с другой, - принимать обоснованные решения о целенаправленном (положение градиентов и концентраторов точно указано на картах) устранении концентраторов и градиентов, т.е. к устранению источников появления и развития дефектов [5] .
| Для оценки эксплуатационной опасности состояния металла на участке не столь важны сами значения механических напряжений, как места их концентрации и скорости изменения напряжений (градиенты). Дело в том, что в центрах (в максимумах) концентрации механических напряжений (КМН) зарождаются дефекты. Это – генераторы дислокаций. Например, на нефтепроводах именно здесь развиваются свищи. При достаточно высоких значениях градиентов эти дислокации начинают двигаться. Как результат, рождаются трещины. Если на обследованном участке нет зон повышенной концентрации МН и градиентов, то на этом участке металл не разрушится [3]³ . |
________________________________________________________________
1 Жуков С.В., Жуков В.С., Копица Н.Н. Способ определения механических напряжений и устройство для его осуществления.// Патент РФ, №2195636 от 05.03.01, Бюл. №36, 27.12.02
2 Жуков С.В., Копица Н.Н. Исследование полей механических напряжений в металлических конструкциях приборами «Комплекс-2»// Сб. научн. Трудов отд-я «Специальные проблемы транспорта» Росс. Академии транспорта, №3, 1998, с.214 – 222.
3 Жуков С.В. К вопросу о необходимости измерения напряжений.
4 Дефект - условие разрушения?, // журнал "Трубопроводный транспорт: теория и практика", №1, стр. 84
5 Штефан В.И., Тентлер А.В., Подольский В.Е.(ФГУП МП «ЗВЕЗДОЧКА»). Управление процессом снятия остаточных механических напряжений в стальных конструкциях на ФГУП МП «ЗВЕЗДОЧКА» с помощью приборов «Комплекс-2.05».
1 Жуков С.В., Жуков В.С., Копица Н.Н. Способ определения механических напряжений и устройство для его осуществления.// Патент РФ, №2195636 от 05.03.01, Бюл. №36, 27.12.02
2 Жуков С.В., Копица Н.Н. Исследование полей механических напряжений в металлических конструкциях приборами «Комплекс-2»// Сб. научн. Трудов отд-я «Специальные проблемы транспорта» Росс. Академии транспорта, №3, 1998, с.214 – 222.
3 Жуков С.В. К вопросу о необходимости измерения напряжений.
4 Дефект - условие разрушения?, // журнал "Трубопроводный транспорт: теория и практика", №1, стр. 84
5 Штефан В.И., Тентлер А.В., Подольский В.Е.(ФГУП МП «ЗВЕЗДОЧКА»). Управление процессом снятия остаточных механических напряжений в стальных конструкциях на ФГУП МП «ЗВЕЗДОЧКА» с помощью приборов «Комплекс-2.05».