Метод Магнитной Памяти Металла - новое направление в технической диагностике

Видео семинара по методу магнитной памяти металла на YouTube-канале:

Традиционные методы и средства диагностики (УЗД, МПД, рентген) направлены на поиск уже развитых дефектов и по своему назначению не могут предотвратить внезапные усталостные повреждения оборудования - основные причины аварий и источники травматизма обслуживающего персонала.

Известно, что основными источниками возникновения повреждений в работающих конструкциях являются зоны концентрации напряжений (КН), в которых процессы коррозии, усталости и ползучести развиваются наиболее интенсивно. Следовательно, определение зон КН является одной из важнейших задач диагностики оборудования и конструкций.

Процессами, предшествующими эксплуатационному повреждению, являются изменения свойств металла (коррозия, усталость, ползучесть) в зонах концентрации напряжений. Соответственно, изменяется намагниченность металла, отражающая фактическое напряжённо-деформированное состояние трубопроводов, оборудования и конструкций.

В настоящее время в России разработан и успешно внедряется на практике принципиально новый метод диагностики оборудования и конструкций, основанный на использовании магнитной памяти металла (МПМ). МПМ объединяет потенциальные возможности неразрушающего контроля (НК) и механики разрушений, вследствие чего, имеет ряд существенных преимуществ перед другими методами при контроле промышленных объектов.

Основные практические преимущества нового метода диагностики, по сравнению с известными магнитными и другими традиционными методами неразрушающего контроля (НК), следующие:

• применение метода не требует специальных намагничивающих устройств, так как используется явление намагничивания узлов оборудования и конструкций в процессе их работы;
• места концентрации напряжений от рабочих нагрузок, заранее не известные, определяются в процессе их контроля;
• зачистки металла и другой какой-либо подготовки контролируемой поверхности не требуется;
• для выполнения контроля по предлагаемому методу используются приборы, имеющие малые габариты, автономное питание и регистрирующие устройства;
• специальные сканирующие устройства позволяют контролировать трубопроводы, сосуды, оборудование в режиме экспресс - контроля со скоростью 100 м/час и более.

Метод МПМ является наиболее пригодным для практики методом НК при оценке фактического напряженно-деформированного состояния. Поэтому использование нового метода диагностики наиболее эффективно для ресурсной оценки узлов оборудования.

Предлагаемый метод диагностики, основанный на использовании магнитной памяти металла, позволяет выполнить интегральную оценку состояния узла с учётом качества металла, фактических условий эксплуатации и конструктивных особенности узла.

Основная задача метода МПМ - определение на объекте контроля наиболее опасных участков и узлов, характеризующихся зонами КН. Затем, с использованием, например, УЗД в зонах КН определяется наличие конкретного дефекта. На основе поверочного расчёта на прочность наиболее напряжённых узлов, выявленных методом МПМ, выполняется оценка реального ресурса оборудования.

Кроме того, метод МПМ и соответствующие приборы контроля позволяют:

• выполнять раннюю диагностику усталостных повреждений и прогнозировать надёжность оборудования;
• документировать результаты контроля и составлять банк данных о состоянии оборудования;
• осуществлять экспресс-сортировку новых и старых деталей по их предрасположенности к повреждениям;
• определять на объекте контроля с точностью до 1мм место и направление развития будущей трещины, а также фиксировать уже образовавшиеся трещины;
• в отдельных случаях контролировать трубопроводы, сосуды без снятия изоляции.

Что же принципиально нового в предложенном методе контроля?

Из анализа известных магнитных методов вытекают следующие обязательные условия их применения. Во-первых, обязательно используются намагничивающие устройства, и, во-вторых, известные магнитные методы могут применяться эффективно лишь при условии, что места концентрации напряжений и дефектов в объекте контроля заранее известны. Кроме того, известные магнитные методы контроля, как правило, требуют зачистки металла и других подготовительных операций. Очевидно, что использование традиционных магнитных методов контроля в протяжённых конструкциях и на оборудовании при таких условиях практически невозможно. Например, специально намагнитить трубную систему, общая протяжённость которой на современном энергетическом котле достигает 500 км, задача нереальная. Знать заранее места концентрации напряжений (основные источники развития повреждений) на каждой трубе котла не представляется возможным из-за влияния на их образование различных технологических, конструкционных и эксплуатационных факторов.

В тоже время известно, что большинство металлоконструкций и оборудования, изготовленных из ферромагнитных материалов, под действием рабочих нагрузок подвержены "самонамагничиванию" в магнитном поле Земли.

На рис.1 показана схема проявления магнитоупругого эффекта, вызывающего рост остаточной индукции (ΔB_r - изменение остаточной индукции; Δσ - изменение циклической нагрузки; Нe - внешнее магнитное поле). Если в каком-то месте конструкции действует циклическая нагрузка σ, и есть внешнее магнитное поле (например, поле Земли), то в этом месте происходит рост остаточной индукции и остаточной намагниченности.

С явлением "самонамагничивания" оборудования и конструкций повсеместно борются (судостроение, энергетика, шарикоподшипниковая и другие отрасли). Изучив это явление намагничивания на примере работы котельных труб, было впервые предложено использовать его для целей технической диагностики. При "самонамагничивании" оборудования и конструкций проявляются различные эффекты магнитострикции. Однако, используется при новом методе контроля последействие (во всех разновидностях эффектов магнитострикции), которое проявляется в виде магнитной памяти металла к фактическим деформациям и структурным изменениям в металле оборудования. Более подробно о принципиальных отличиях метода МПМ от других известных магнитных методов НК смотрите в статье Дубова А.А. "Принципиальные отличия метода магнитной памяти металла от других известных магнитных методов неразрушающего контроля. Итоги и перспективы развития метода".

Магнитная память металла - последействие, которое проявляется в виде остаточной намагниченности металла изделий и сварных соединений, сформировавшейся в процессе их изготовления и охлаждения в слабом магнитном поле или в виде необратимого изменения намагниченности изделий в зонах концентрации напряжений и повреждений от рабочих нагрузок.

Примечание: Слабое магнитное поле - геомагнитное поле и другие внешние поля малой напряженности. Более четкая граница между слабыми и сильными магнитными полями рассматривается в книге "Физические основы метода магнитной памяти металла", авторы Власов В.Т., Дубов А.А. М.: ЗАО "ТИССО", 2004.

Метод МПМ - метод неразрушающего контроля, основанный на регистрации и анализе распределения собственных магнитных полей рассеяния (СМПР) на поверхности изделий с целью определения зон концентрации напряжений, дефектов, неоднородности структуры металла и сварных соединений.

Собственное магнитное поле рассеяния изделия (СМПР) - магнитное поле рассеяния, возникающее на поверхности изделия в зонах устойчивых полос скольжения дислокаций под действием рабочих или остаточных напряжений или в зонах максимальной неоднородности структуры металла на новых изделиях.

Для отдельных деталей и изделий, а также для сварных соединений метод МПМ основан на регистрации СМПР, возникающих в зонах концентрации остаточных напряжений после их изготовления и охлаждения в магнитном поле Земли. В процессе изготовления любых ферромагнитных изделий (плавка, ковка, термическая и механическая обработка) механизм формирования реальной магнитной текстуры происходит одновременно с кристаллизацией при охлаждении, как правило, в магнитном поле Земли. В местах наибольшей концентрации дефектов кристаллической решётки (например, скоплений дислокаций) и неоднородностей структуры образуются доменные границы с выходом на поверхность изделия в виде линий смены знака нормальной составляющей СМПР. Эти линии соответствуют сечению детали с максимальным магнитным сопротивлением и характеризуют зону максимальной неоднородности структуры металла и, соответственно, зону максимальной концентрации внутренних напряжений (ЗКН).

В настоящее время в энергетике, химической, нефтехимической, нефтегазоперерабатывающей, нефтяной, газовой и в других отраслях промышленности России разработаны и применяются на практике более 60 руководящих документов и методик контроля. Проведён комплекс экспериментальных и теоретических исследований в содружестве с рядом российских и зарубежных институтов. Разработаны количественные и качественные критерии, позволяющие осуществлять раннюю диагностику усталостных повреждений и оценки ресурса оборудования с использованием метода МПМ.

В период с 1990 по 2019 годы специалистами ООО "Энергодиагностика" выполнены промышленные исследования с оценкой состояния более 320 паровых и водогрейных котлов, более 245 паровых и газовых турбин, более 220 сосудов и аппаратов, более 3000 км трубопроводов различного технологического назначения; контроль качества изделий машиностроения более чем на 50-ти заводах и фирмах России и других стран, экспериментальный контроль рельс и колесных пар на предприятиях железнодорожного транспорта, мостовых конструкций, грузоподъёмных механизмов и других технических объектов.

Метод магнитной памяти металла и соответствующие приборы контроля используются более чем на 1000 предприятиях России. Кроме России метод получил распространение в 44 странах мира: Австралия, Азербайджан, Ангола, Аргентина, Бахрейн, Беларусь, Болгария, Босния и Герцеговина, Бразилия, Венгрия, Германия, Израиль, Индия, Ирак, Иран, Италия, Казахстан, Канада, Китай, Колумбия, Корея, Латвия, Литва, Македония, Малайзия, Молдова, Монголия, Нидерланды, ОАЭ, Оман, Польша, Румыния, Сербия, США, Таджикистан, Туркменистан, Украина, Финляндия, Хорватия, Черногория, Чехия, Швейцария, ЮАР, Япония.

Разработаны и введены в действие следующие стандарты России:

• ГОСТ Р ИСО 24497-1-2009. Контроль неразрушающий. Метод магнитной памяти металла. Часть 1. Термины и определения.
• ГОСТ Р ИСО 24497-2-2009. Контроль неразрушающий. Метод магнитной памяти металла. Часть 2. Общие требования.
• ГОСТ Р ИСО 24497-3-2009. Контроль неразрушающий. Метод магнитной памяти металла. Часть 3. Контроль сварных соединений.
• ГОСТ Р 52330-2005. Контроль неразрушающий. Контроль напряженно-деформированного состояния объектов промышленности и транспорта. Общие требования.
• ГОСТ Р 53006-2008. Оценка ресурса потенциально опасных объектов на основе экспресс-методов. Общие требования.
• ГОСТ Р 55044-2012. Техническая диагностика. Порядок выбора объектов испытаний при калибровке средств диагностирования напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов. Общие требования.
• ГОСТ Р 56663-2015. Контроль неразрушающий. Контроль качества изделий машиностроения по остаточной намагниченности, сложившейся в процессе их изготовления. Общие требования.

За период с 1994 года по 2019 год выпущено 50 документов Международного института сварки (МИСа) с положительными резолюциями по методу магнитной памяти металла.

В 2007 году в результате положительного голосования среди 18 стран-членов МИСа и более 10 стран комитета ISO утвержден международный стандарт ISO 24497-1:2007(Е), 24497-2:2007(Е), 24497-3:2007(Е) по методу магнитной памяти металла.

В настоящее время на основе международных стандартов по методу МПМ введены в действие национальные стандарты в России, Болгарии, Иране, Италии, Канаде, Китае, Корее, Монголии, Польше, Украине.

Значительный опыт промышленных и лабораторных исследований, наличие методик, руководящих документов, научно-технических отчётов позволили разработать нормативно-техническую документацию (НТД) по аттестации метода магнитной памяти металла, приборов контроля и персонала. В НТД, кроме методик и РД, входят: требования к техническим знаниям специалистов, изучающих метод МПМ; программа обучения специалистов I, II, и III уровней (согласована с Ростехнадзором); паспорта и технические условия на приборы контроля; правила эксплуатации, методики поверки и испытаний приборов контроля; руководство пользователя программным продуктом для обработки результатов контроля на компьютере; учебное пособие.

Статьи по методу магнитной памяти металла:

• Дубов А.А. Метод магнитной памяти металла.
• Дубов А.А. Назначение и практические возможности метода магнитной памяти металла.
• Дубов А.А. Метрологические аспекты в методе магнитной памяти металла.
• Дубов А.А. Принципиальные отличия метода магнитной памяти металла от других известных магнитных методов неразрушающего контроля. Итоги и перспективы развития метода.
• Дубов А.А. Итоги внедрения метода магнитной памяти металла в России и других странах.
• Дубов А.А., Власов В.Т. О проблеме измерения характеристик напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов сложных технических объектов. Энергетическая концепция диагностики напряженно-деформированного состояния (НДС) материалов.
• Дубов А.А., Дубов Ал.А. Проблемы контроля напряженно-деформированного состояния нефтегазопроводов и их решение с использованием метода магнитной памяти металла.
• Дубов А.А. Контроль напряженно-деформированного состояния газопроводов при оценке их ресурса.
• Дубов А.А. Контроль технологических трубопроводов без снятия изоляции с использованием сканирующих устройств и метода магнитной памяти металла.
• Дубов А.А., Дубов Ал.А. Бесконтактная магнитометрическая диагностика трубопроводов и перспективы ее развития.
• Дубов А.А. Техническая диагностика и мониторинг за состоянием оборудования и конструкций на современном этапе развития.
• Дубов А.А. Оценка ресурса теплоэнергетического оборудования в соответствии с рекомендациями нового национального стандарта ГОСТ Р 53006-2008.
• Дубов А.А. Проблемы оценки остаточного ресурса стареющего оборудования.
• Дубов А.А. Оценка ресурса энергооборудования с использованием метода магнитной памяти металла.
• Дубов А.А. Метод магнитной памяти металла и его возможности для диагностики элементов энергетических котлов.
• Дубов А.А. Определение локальных зон концентрации напряжений в изделиях машиностроения - недостающее звено в системе неразрушающего контроля.
• Матюнин В.М., Дубов А.А., Дубов Ал.А. Определение механических свойств по параметрам твердости в зонах концентрации напряжений, выявленных в изделиях методом магнитной памяти металла.
• Махутов Н.А., Дубов А.А., Денисов А.С. Исследование статических и циклических деформаций с использованием метода магнитной памяти металла.
• Дубов А.А., Ботвина Л.Р., Семашко Н.А., Привалов В.Ю., Цепелев А.Б. О взаимосвязи магнитных, акустических и механических характеристик, оцененных в процессе растяжения стальных образцов.
• Дубов А.А., Дубов Ал.А. Возможности метода магнитной памяти металла для мониторинга и развития трещин.
• Дубов А.А., Колокольников С.М. Проблемы контроля качества сварки и сварочных технологий и их решение на основе метода магнитной памяти металла.
• Дубов А.А., Дубов Ал.А., Собранин А.А. Диагностика узлов и деталей бурильных установок нефтедобычи с использованием метода магнитной памяти металла.
• Дубов А.А., Дубов Ал.А. Обеспечение надежности деталей погружных электроцентробежных насосов нефтедобывающих установок с использованием метода магнитной памяти металла.
• Дубов А.А. Контроль качества литой арматуры с использованием магнитной памяти металла.
• Дубов А.А., Колокольников С.М., Медведев А.Г., Борискин Д.С. Комплексный контроль сварных соединений изотермического резервуара жидкого аммиака.
• Дубов А.А. Новые требования к методам и средствам диагностики напряженно-деформированного состояния материалов.

Основные публикации:

1. Дубов А.А., Дубов Ал.А., Колокольников С.М. Метод магнитной памяти металла и приборы контроля. Учебное пособие. М.: Издательский дом "Спектр", 2012. 395 с.

2. Власов В.Т., Дубов А.А. Физическая теория процесса "деформация - разрушение". Часть I. Физические критерии предельных состояний металла. М.: ЗАО "ТИССО", 2007. 517 с.

3. Власов В.Т., Дубов А.А. Физическая теория процесса "деформация-разрушение". Часть II. Термодинамика процесса. М.: ИД "Спектр", 2016. 228 с.

4. Власов В.Т., Дубов А.А. Физические основы метода магнитной памяти металла. М.: ЗАО "ТИССО", 2004, 424с.

5. Дубов А.А. Метод магнитной памяти металла. История возникновения и развития. М.: ФГУП Издательство "Известия", 2011. 256 с.

6. Дубов А.А. А.С. 2029263. Патент России и стран СНГ. Способ определения остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов. Бюллетень изобретений, №5, 1995.

7. Материалы первой, второй, третьей, четвертой, пятой, шестой, седьмой и восьмой международных научно-технических конференций "Диагностика оборудования и конструкций с использованием магнитной памяти металла". Доклады и тезисы докладов. М.: Энергодиагностика, 1999, 2001, 2003, 2007, 2009, 2011, 2013, 2015.

8. Дубов А.А. Диагностика котельных труб с использованием магнитной памяти металла. М.: Энергоатомиздат, 1995.

9. Дубов А.А. Диагностика турбинного оборудования с использованием магнитной памяти металла. М.: ЗАО "ТИССО", 2009. 148 с.

10. Дубов А.А. Диагностика трубопроводов, оборудования и конструкций с использованием магнитной памяти металла. Сборник статей и докладов. М.: Энергодиагностика, 2001.

11. Дубов А.А. Исследование свойств металла с использованием метода магнитной памяти // Металловедение и термическая обработка металлов, №9, 1997.

12. Дубов А.А. Экспресс-метод контроля сварочных напряжений // Сварочное производство, №11, 1996.

13. Дубов А.А. Диагностика усталостных повреждений рельс с использованием магнитной памяти металла // В мире неразрушающего контроля, №5, 1999.

14. Горицкий В.М., Дубов А.А., Демин Е.А. Исследование структурной повреждаемости стальных образцов с использованием метода магнитной памяти металла // Контроль. Диагностика. №7, 2000.

15. Дубов А.А. Проблемы оценки ресурса стареющего оборудования // Безопасность труда в промышленности, №12, 2002. С.30-38.

16. Дубов А.А. Способ определения предельного состояния металла и оценки ресурса оборудования по магнитным диагностическим параметрам // Контроль. Диагностика, №5, 2003.