Энергодиагностика
+7-498-661-92-81
+7-498-661-61-35
Метод Магнитной Памяти Металла
Энергодиагностика
Метод Магнитной Памяти Металла
Реклама
Новости
30 октября 2017 г.
Вторая международная конференция по диагностике оборудования и изделий машиностроения с использованием метода магнитной памяти металла состоится 24-25 апреля 2018 года в Будапеште, Венгрия
1 июля 2017 г.
На семинаре по методу МПМ представлено более 60 отзывов организаций, диагностических фирм и промышленных предприятий об эффективности метода МПМ по результатам практической диагностики оборудования.
30 июня 2017 г.
ООО "Энергодиагностика" приняло активное участие в работе Конгресса, выставки, заседаниях Международного общества по мониторингу состояния (ISCM) 13-16 июня 2017 года в Лондоне, Великобритания.

Назначение и практические возможности метода магнитной памяти металла

д.т.н., профессор Дубов А.А.

Принципиальные отличия метода магнитной памяти металла (МПМ) от других магнитных методов неразрушающего контроля (НК) отмечались неоднократно в статьях [1, 2], в учебном пособии [3] и в теоретических работах [4, 5, 6]. Однако, в связи с возникающими до сих пор вопросами метрологического характера и о роли метода МПМ в аспекте практического его применения [7], назревала необходимость дать ответы на наиболее актуальные из них.

Во-первых, основное назначение метода МПМ - определение на оборудовании и в конструкциях в режиме экспресс-контроля с использованием специализированных приборов и сканирующих устройств зон концентрации напряжений (ЗКН) - основных источников развивающихся повреждений.

ЗКН - это не только заранее известные области, где особенности конструкции создают различные условия для распределения напряжений, создаваемых внешней нагрузкой, но и случайно расположенные области, где в силу начальной неоднородности металла в сочетании с нерасчетными дополнительными рабочими нагрузками возникают большие деформации (как правило, деформации сдвига).

Геометрическим признаком магнитных аномалий, характеризующим ЗКН, является расстояние между экстремальными значениями собственного магнитного поля, кратное типоразмеру изделия (толщине, ширине, диаметру). Это расстояние соответствует минимальному расстоянию между соседними площадками скольжения или критическому размеру оболочки, возникающему, например, при потере устойчивости трубы.

Контроль методом МПМ осуществляется без зачистки металла и искусственного намагничивания. Используется остаточная намагниченность, которая сложилась естественным образом при изготовлении изделий и в процессе их эксплуатации.

Можно, конечно, сомневаться в том, что возможно выявление ЗКН и различных дефектов металла по магнитным аномалиям с неизвестной предысторией изделий [7]. Однако, известно, что критерий истины - практика! Многочисленные исследования, выполненные авторами метода на заводах-изготовителях, показали, что все однотипные изделия, изготовленные из одной марки стали и по одной технологии, имеют практически одинаковое распределение остаточной намагниченности, и только в зонах концентрации остаточных напряжений и различных неоднородностей структуры на отдельных изделиях при контроле фиксируются магнитные аномалии. И это не удивительно, так как при формировании, например, термоостаточной намагниченности изделий в процессе их изготовления определяющую роль играют внутренние напряжения, а не слабое внешнее геомагнитное поле.

При эксплуатации изделий исходная остаточная намагниченность (ОН) перераспределяется под действием рабочих нагрузок, и в ЗКН возникают магнитные аномалии, обусловленные геометрическими смещениями и типоразмером изделия.

Если в однотипных изделиях под действием рабочих нагрузок не возникают локальные ЗКН, то характер распределения ОН в них практически одинаковый. Для того чтобы убедиться в этом, необходимо было обследовать несколько тысяч однотипных узлов и изделий! На основе установленных закономерностей и значительного практического опыта обследования различных узлов оборудовании и конструкций авторами предложена методология безэталонной калибровки средств и методов контроля и соответствующая их метрология [3].

Диагностические параметры в методе МПМ:

1. Согласно ГОСТ Р ИСО 24497-1-2009 [8] метод МПМ - метод неразрушающего контроля, основанный на регистрации и анализе распределения собственных магнитных полей рассеяния (СМПР), возникающих на изделиях и оборудовании в зонах концентрации напряжений (ЗКН).

СМПР, отображающее остаточную намагниченность, сформировавшуюся естественным образом в процессе изготовления изделия, следует отличать от магнитных полей рассеяния (МПР), возникающих на дефектах металла и трещинах при искусственном намагничивании изделия (например, при выполнении магнитопорошковой дефектоскопии).

2. Для количественной оценки уровня концентрации напряжений (источников повреждений) определяется градиент нормальной (Hy) и/или тангенциальной (Hx) составляющих СМПР:

Kин = |ΔНy| / Δx, при Δx->0 Kин = / dx,    (1)

где Δx - расстояние между соседними точками контроля.

В отдельных случаях при контроле напряженно-деформированного состояния (НДС) оборудования используется градиент результирующего СМПР:

3. Среди основных расчетных диагностических параметров в методе МПМ применяется параметр m, характеризующий предельную деформационную способность материала:

m = Кинmax / Кинcp,    (2)

где Кинmax и Кинcp, соответственно, максимальное и среднее значения градиента поля, которые определяются при контроле методом МПМ однотипных узлов оборудования.

В ходе промышленных и лабораторных исследований на образцах установлено соотношение между предельными значениями магнитных и механических параметров:

mпр = Кинmax / КинсрКинпр / Кинв ≈ σпр / σв,    (3)

где значения Кинmax и Кинср, полученные в результате контроля однотипных узлов оборудования, соответствуют значениям Кинпр и Кинв, полученным в результате испытаний на растяжение образцов, изготовленных из той же марки стали, при достижении, соответственно, истинного предела прочности при разрушении σпр и условного предела прочности σв.

В экспериментальных исследованиях было установлено также, что, если фактический параметр mфmпр, то в этом случае в металле контролируемого узла оборудования возникает предельное (критическое) состояние, при котором образуется макротрещина. Физическое обоснование параметра mпр приведено в работах [3, 4, 5]. Иллюстрацию соотношения (3) можно представить на примере результатов испытаний стального образца на растяжение с постоянной скоростью деформирования вплоть до его разрыва с одновременным измерением СМПР образца по методу МПМ.

Соотношение (3) используется в методе МПМ для оценки предельного состояния металла, при котором в ЗКН образуется магистральная макротрещина, и начинается развитие повреждения. Максимальная достоверность определения ЗКН с предельным состоянием металла в методе МПМ оценивается согласно [5] не менее 90%.

На рис.1 представлена диаграмма σ-ε, совмещенная с графиком изменения модульных значений градиента результирующего поля Ʃ|∆Н| в зависимости от деформации ε, где суммарное значение Ʃ|∆Н| было получено путем поэтапного суммирования изменений |∆Н| на отдельных участках от начала испытаний в точке А до конечной точки К - момента разрыва образца.

Рассчитаем на данном примере значение параметра m по соотношению (3) между магнитными и механическими характеристиками.

Рис.1. Диаграмма σ-ε, совмещенная с графиком изменения суммарного значения градиента магнитного поля Σ|∆Н| от деформации для образца №3.

На участке диаграммы σ-ε от точки G, соответствующей пределу прочности σв, до точки К пунктирной линией показано изменение истинного напряжения по отношению к изменяющемуся сечению в шейке образца вплоть до предельного (разрушающего) σпр (рис.1). Для данного образца значение σв, зафиксированное на диаграмме разрывной машины, равно 458 МПа, а расчетное напряжение σпр по отношению к площади конечного сечения в шейке оказалось равным 990 МПа.

Тогда значение параметра mпр для механических характеристик будет равно:

mпр = σпр / σв = 990МПА / 458МПА = 2,16,    (4)

Значение параметра mпр для магнитных характеристик будет равно:

mпр = Ʃ|∆Нпр| / Ʃ|∆Нв| = 214 / 106 = 2,02,    (5)

где Ʃ|∆Нв| и Ʃ|∆Нпр| - суммарные изменения модульных градиентов СМПР, полученные при достижении, соответственно, условного предела прочности σв и истинного предела прочности σпр.

Таким образом, в результате данного эксперимента с растяжением стального образца получено хорошее подтверждение соотношения (3) между магнитными и механическими характеристиками.

В исследованиях [5] показано, что корень квадратный из соотношения σпр / σв равен средней величине неравномерной деформации εнер в области шейки:

Из соотношений (4) и (6) следует магнитомеханическое соотношение, характеризующее предельную деформационную способность металла:

где dпр – механический параметр, характеризующий предельную деформационную способность.

Соотношения (6) и (7) используются в методе МПМ для оценки предельного состояния металла, при котором в ЗКН образуется магистральная макротрещина, и начинается развитие повреждения.

Максимальная достоверность определения ЗКН с предельным состоянием металла в методе МПМ оценивается согласно [5] не менее 90%.

Здесь следует отметить, что раскрытие макротрещин при достижении предельного состояния металла составляет доли миллиметров, что является зоной нечувствительности для большинства методов НК. Поэтому некорректно сравнивать результаты контроля по методу МПМ, например, с результатами по УК, рентгену или ВК. И какие-либо замечания в адрес метода МПМ по перебраковке или недобраковке не приемлемы. Подтверждающими для результатов контроля в ЗКН с предельным состоянием металла являются металлография, измерение твердости или контроль, например, ультразвуком на поисковом уровне.

При значениях фактического магнитного параметра mф значительно больше mпр, т.е. mф > mпр, размеры трещин или различных дефектов в ЗКН становятся соизмеримыми с браковочными по существующим нормам для УК, рентгена и др. И в этом случае, при дополнительном контроле другими методами НК, такие дефекты выявляются.

В сочетании результатов контроля по методу МПМ с другими методами НК резко повышается эффективность контроля. Именно при таком комплексном контроле основного металла и сварных соединений в настоящее время широко используется метод МПМ. В режиме экспресс-контроля без какой-либо подготовки поверхности методом МПМ выявляются ЗКН на объекте контроля (ОК), выполняется их классификация по градиенту СПМР и по расчетному параметру m, и затем в назначенных ЗКН делается дополнительный контроль ультразвуком или другими методами НК.

Классификация магнитных аномалий по размерам дефектов, расположенных на поверхности и в глубине металла на ОК, возможна, и в этом направлении развиваются методики контроля конкретных узлов оборудования с использованием метода МПМ.

Необходимо отметить, что в разных отраслях промышленности для одних и тех же объектов контроля имеют место разные нормы по недопустимым дефектам в неразрушающем контроле. Более того, размеры допустимых и недопустимых дефектов в существующих нормативных документах, как правило, недостаточно обоснованы с позиций механики разрушений. В этой связи следует отметить очень важную особенность метода МПМ, заключающуюся в том, что он позволяет по параметрам магнитных аномалий в ЗКН, где есть уже макротрещины недопустимых размеров, делать оценку степени их опасности, и делать выводы о направлении и интенсивности их развития.

В условиях, когда на оборудовании, находящемся в длительной эксплуатации, все большее количество повреждений металла носит внезапный, усталостный характер, метод МПМ, предназначенный, главным образом, для ранней диагностики таких повреждений, имеет очевидные преимущества перед другими методами НК.

В настоящее время все большее внимание специалистов направлено на развитие технической диагностики, оценку ресурса, риска и мониторинга за состоянием оборудования. Однако "трагизм" ситуации заключается в том, что при оценке предельного состояния опасных производственных объектов (ОПО) специалисты, работающие в этом направлении, сталкиваются с тем, что в существующих нормативных документах нет четкого определения этого понятия с позиций механики разрушений и материаловедения. В работах [5, 6] с позиции современных знаний из механики разрушений дано определение таким понятиям как «предельное состояние металла» в локальной ЗКН конструкции и "предельное состояние самого элемента конструкции". А метод МПМ позволяет в практической диагностике на основе соотношений (3, 6, 7) выполнять оценку фактического состояния оборудования, адекватную вышеуказанным понятиям.

С позиции современных знаний в области механики разрушений и материаловедения о предельном состоянии металла и элемента конструкции необходима также разработка новой нормативной документации по технической диагностике, мониторингу и оценке ресурса и риска ОПО.

В условиях, когда становится возможным с помощью метода МПМ выполнить 100% обследование оборудования и выявить все потенциально опасные зоны, предрасположенные к развитию повреждений, оценка ресурса и риска становится более конкретной и предсказуемой [11].

В 2010 году ОАО НТЦ "Промышленная безопасность" при поддержке РОНКТД был разработан и введен в действие руководящий документ СДОС-05-2010 "Положение об аттестации персонала в области неразрушающего контроля напряженно-деформированного состояния". В ТК-132 Росстандарта подготовлен и введен в действие ряд национальных стандартов по теме "Контроль НДС". Необходимость контроля напряженно-деформированного состояния технических устройств отмечена в "Правилах проведения экспертизы промышленной безопасности", утвержденных приказом Ростехнадзора № 538 от 14 ноября 2013 г. "Контроль напряжений", как новый вид НК, введен в ряд руководящих документов ПАО "Газпром" и других отраслей.

Однако, по теме "Контроль напряжений" до сих пор существует много противоречий при использовании различных методов и средств контроля НДС на практике [12]. Основные усилия специалистов, работающих в этой области, согласно [13, 14] должны быть направлены на выявление ЗКН - основных источников развития повреждений.

Метод МПМ в настоящее время, на взгляд автора, является наиболее пригодным для выявления ЗКН при практической диагностике оборудования и конструкций. При этом метод МПМ в режиме экспресс-контроля позволяет на основе 100% обследования делать оценку фактического НДС всех элементов конструкции.

Особо следует отметить возможности бесконтактной магнитометрической диагностики (БМД) подземных участков трубопроводов. БМД так же основана на закономерностях, выявленных методом МПМ при контактном контроле. При выполнении БМД фиксируются магнитные аномалии в распределении геомагнитного поля, обусловленные изменением намагниченности металла трубопровода в зонах концентрации напряжений и в зонах развивающихся коррозионно-усталостных повреждений.

В результате обследования подземных (или подводных) трубопроводов с использованием БМД необходимо ответить на вопрос: "Где и когда следует ожидать повреждения или аварии?". Именно на решение этой задачи направлено применение БМД в сочетании с дополнительным контролем трубопроводов в «шурфах» (ультразвуком, вихретоком и др.). Определять и классифицировать развивающиеся дефекты в трубопроводах только по результатам БМД, без дополнительного контроля в шурфах, в настоящее время не представляется возможным.

Однако следует отметить, что, если по результатам БМД из множества выявленных ЗКН при дополнительном контроле только в нескольких ЗКН были выявлены недопустимые дефекты, то такой результат является достаточно эффективным! Так как известно, что даже одна предотвращенная авария, например, на газо- или нефтепроводе перекрывает все расходы на выполнение БМД.

В заключение необходимо отметить основное назначение метода МПМ и области его применения:

  • экспресс-контроль качества изделий машиностроения с целью выявления дефектов металла и локальных ЗКН;
  • ранняя диагностика коррозионно-усталостных повреждений и оценка остаточного ресурса оборудования и конструкций;
  • определение дефектов (расслоение, дефекты литья и другие) в глубинных слоях металла за счет использования геометрических параметров СМПР, обусловленных площадками скольжения дислокаций в ЗКН;
  • 100% обследование ОК с целью выявления локальных ЗКН – источников развития повреждений;
  • повышение эффективности неразрушающего контроля ОК за счёт применения метода МПМ в комплексе с другими методами НК;
  • сокращение материальных затрат на выполнение контроля за счёт отказа от искусственного намагничивания ОК и от зачистки поверхности (а в отдельных случаях – от снятия изоляции с ОК).

С использованием метода МПМ предоставляется возможность исследовать структурные и механические свойства металла на физическом уровне при испытании образцов в лабораторных условиях.

Область применения метода МПМ распространяется на любые изделия, изготовленные из ферро- и парамагнитного материала. В настоящее время в энергетике, нефтехимии, нефтяной, газовой и других отраслях промышленности России метод МПМ включен в ряд руководящих документов и отраслевых стандартов (более 50 документов).

Литература

1. Дубов А.А. Принципиальные отличительные признаки метода магнитной памяти металла и приборов контроля в сравнении с известными магнитными методами неразрушающего контроля // Контроль. Диагностика. 2003. № 12. С. 27-29.

2. Дубов А.А. Принципиальные отличия метода магнитной памяти металла от других известных магнитных методов неразрушающего контроля. Итоги и перспективы развития метода // Территория NDT. 2016. № 2. C. 64-68.

3. Дубов А.А., Дубов Ал.А., Колокольников С.М. Метод магнитной памяти металла и приборы контроля: Учебное пособие, 5-е изд. М.: ИД «Спектр», 2012. 395 с.

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

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

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

7. Горкунов Э.С., Ефимов А.Г., Шубочкин А.Е., Артемьев Б.В. К вопросу применения магнитного НК для определения напряженно-деформированного состояния металлоконструкций // В мире НК. 2016. № 3. С. 52-55.

8. ГОСТ Р ИСО 24497-1-2009. Контроль неразрушающий. Метод магнитной памяти металла. Часть 1. Термины и определения.

9. ГОСТ Р ИСО 24497-2-2009. Контроль неразрушающий. Метод магнитной памяти металла. Часть 2. Общие положения.

10. ГОСТ Р ИСО 24497-3-2009. Контроль неразрушающий. Метод магнитной памяти металла. Часть 3. Контроль сварных соединений.

11. Дубов А.А. Мониторинг рисков на основе ранней диагностики состояния металла оборудования и конструкций в зонах концентрации напряжений - источников развития повреждений // Химическая техника. 2016. № 4. С. 26-28.

12. Дубов А.А. Новые требования к методам и средствам диагностики напряженно-деформированного состояния материалов // Мир измерений. 2012. № 6. С. 38-42.

13. ГОСТ Р 52330-2005. Контроль неразрушающий. Контроль напряженно-деформированного состояния объектов промышленности и транспорта. Общие требования.

14. ГОСТ Р 53006-2008. Оценка ресурса потенциально опасных объектов на основе экспресс-методов. Общие требования.

ООО "Энергодиагностика" является разработчиком нового метода и приборов неразрушающего контроля, основанных на использовании магнитной памяти металла (МПМ).
1992-2017 © ООО "Энергодиагностика"
Рейтинг@Mail.ru
Создание сайта: ООО "Модерн Медиа"