Принципиальные отличия метода магнитной памяти металла от других известных магнитных методов неразрушающего контроля. Итоги и перспективы развития метода

д.т.н., профессор Дубов А.А.

В 2003 году в журнале "Контроль. Диагностика" была опубликована статья, отражающая принципиальные отличительные признаки метода магнитной памяти металла (МПМ) [1]. В данной статье были даны ответы автора метода на типичные вопросы, которые возникали и обсуждались на Научно-техническом совете в НИИ ИН МНПО «Спектр» под председательством Президента РОНКТД Клюева В.В. (июль, 2003). Заседание Научно-технического совета специально было посвящено методу МПМ.

В связи с тем, что в кругах "магнитчиков", занимающихся разработкой и развитием различных магнитных методов неразрушающего контроля (НК), до сих пор возникают вопросы об отличительных признаках и физических основах метода МПМ, назрела необходимость еще раз в популярной форме рассмотреть эту тему в авторской интерпретации.

В частности, отдельные наиболее типичные вопросы к методу МПМ отражены в статье Горкунова Э.С., опубликованной в журнале "Дефектоскопия" [2]. Некоторые комментарии к содержанию этой статьи необходимо отметить.

В аннотации к данной статье сказано, что "оценка напряженно-деформированного состояния (НДС) оборудования по методу магнитной памяти металла (МПМ) без учета условий формирования состояния остаточной намагниченности (ОН) будет обладать низкой достоверностью". Далее в статье перечисляются различные условия формирования и виды ОН, среди которых называется наиболее устойчивая термоостаточная намагниченность, формирование которой происходит в изделиях в процессе их различных производств при остывании металла ниже точки Кюри. Именно термоостаточная намагниченность, отображающая структурную и технологическую наследственность изделий, в основном используется в методе МПМ при экспресс-сортировке изделий машиностроения по качеству. В процессе эксплуатации термоостаточная намагниченность изделий, попадая под действие рабочих нагрузок, перераспределяется и дает информацию о локальных зонах концентрации напряжений (ЗКН) – источниках развития повреждений.

Далее в статье рассматриваются механизмы изменения ОН изделий в условиях приложения внешних постоянных и переменных магнитных полей, которые не имеют прямого отношения к технологии метода МПМ (см. рис.1÷7, приведенные в статье [2]).

Механизм формирования ОН (магнитной памяти металла) подробно рассмотрен в книге по физическим основам метода МПМ [3]. Судя по содержанию статьи [2] автор, хотя формально и делает ссылку на указанную книгу, но, очевидно, ее не изучал в должной мере.

В разделе статьи "устойчивость ОН к действию упругих деформаций различного типа" автор рассматривает механизмы изменения ОН ферромагнетиков в условиях упругой деформации с позиций сложившихся представлений о магнитоупругом эффекте (м.у.э.). В условиях реальной практики изделия работают не только в упругой области деформации (эта область ограничивается пределом пропорциональности, который примерно равен ~ 0,3-0,5 от предела текучести для углеродистых сталей). В статье совсем не рассматривается магнитопластика и формирование ОН в условиях сдвиговой деформации (основной вид деформации в изделиях под действием рабочих нагрузок). Также не рассматривается векторное распределение ОН и магнитных полей рассеяния в пространстве ферромагнитных изделий, т.е. механизм формирования внутреннего магнитного поля, фиксируемого на поверхности диагностируемого изделия, от макрохарактеристик его напряженно-деформированного состояния.

В этом же разделе автор статьи [2] подтверждает возможность "запоминания" остаточной намагниченности максимальных напряжений, действовавших непосредственно на изделия. Однако в этом случае, как указывает автор, необходимо знать распределение ОН в изделиях до и после приложения напряжения. Именно таким образом и поступают специалисты, которые применяют метод МПМ на практике. Действительно, очень часто при использовании метода МПМ на практике не известно распределение ОН в изделиях или узлах оборудования в исходном состоянии до приложения нагрузки. В этих случаях в методе МПМ используется предпосылка о том, что все элементы конструкции в исходном состоянии имеют примерно одинаковую намагниченность, одинаковую форму (типоразмер), одинаковый материал. Исходя из этой предпосылки, после воздействия рабочей нагрузки в изделиях возникают магнитные аномалии в зонах концентрации напряжений (ЗКН), и, таким образом, путем измерения распределения ОН и магнитных полей рассеяния в ЗКН и вне этих зон, предоставляется возможность делать оценку состояния изделий и элементов конструкции. Кроме того, экспериментально установлено, что после приложения к изделию первого же цикла нагрузки первоначальная ОН необратимо изменяется («история ОН» практически исчезает) и при последующих циклах одной и той же нагрузки новые значения ОН и, соответственно, СМПР сохраняются неизменными. В процессе приложения и снятия внешней нагрузки в ЗКН изделия возникает магнитомеханическая петля гистерезиса, стабильно соответствующая величине нагрузки. Возникает ситуация, когда сама конструкция и ее элементы после снятия рабочей нагрузки показывают свои слабые места благодаря "магнитной памяти металла". В настоящее время фирмой ООО "Энергодиагностика" (г. Москва) разработано около 60 различных руководящих документов и методик, которые используются на практике при оценке фактического напряженно-деформированного состояния оборудования и конструкций. Автору статьи [2] и другим специалистам рекомендуется ознакомиться с опытом применения метода МПМ на практике, изложенным в работе [4] и на сайте http://www.energodiagnostika.ru.

На рис.10-14 в статье Горкунова Э.С. [2] рассматриваются зависимости изменения ОН при воздействии на ферромагнитные образцы из разных марок стали растягивающих, сжимающих и циклических знакопеременных нагрузок, полученные в лабораторных условиях. При этом используется искусственное намагничивание образцов и не учитывается неоднородность структуры металла. Поэтому такие результаты исследований не пригодны для применения в методе МПМ, в котором используется остаточная намагниченность, сложившаяся под действием приложенных нагрузок в слабом магнитном поле Земли (или цеха).

В книге по физическим основам метода МПМ [3] приведена магнитомеханическая диаграмма, разработанная впервые (аналогов в теории магнетизма нет) и отображающая с энергетических позиций формирование ОН (или остаточной индукции) в ферромагнетиках при воздействии на них напряжений различного уровня и знака и внешних магнитных полей разной напряженности. Именно с энергетических позиций, т.е. с учетом весового энергетического вклада механических напряжений и внешнего магнитного поля необходимо рассматривать процесс формирования намагниченности в ферромагнетиках.

В Заключении автор статьи [2] высказывает сомнение в том, что в условиях, когда на изменение ОН в ферромагнетике воздействуют одновременно несколько факторов (напряжения, температура, напряженность внешнего поля, структура, коррозия и др.) невозможно однозначно делать оценку напряженно-деформированного состояния изделий с использованием параметров метода МПМ. Такое сомнение высказывают многие специалисты - "магнитчики". Для ответа на этот вопрос автору метода МПМ потребовалось провести множество экспериментальных работ и теоретических исследований, в результате выполнения которых было установлено следующее.

Если рассматривать влияние основных факторов H_e, T, σ на изменение намагниченности ΔМ ферромагнетика определенной формы и массы от исходного состояния M₀, то получим функциональное соотношение в следующем виде:

ΔМ(Н_е, Т, σ) = (1 + k_Не) × (1 + k_Т) × (1 + k_σ) × М₀ =
= (1 + k_Не + k_Т + k_σ + k_He × k_Т + k_He × k_σ + k_Т × k_σ + k_He × k_Т × k_σ) × М₀ ,    (1)

где k_i – нелинейные функции, отражающие влияние каждого из указанных факторов на изменение ΔМ и взаимного влияния этих факторов друг на друга; Н_е – внешнее магнитное поле; Т – температура; σ – напряжение.

И, если идти по пути традиционного подхода в исследовании этих нелинейных функций на изменение намагниченности ферромагнетика, то эти исследования потребуют длительного времени и проведения большого количества экспериментальных работ. Собственно, именно по этому пути идут многие специалисты, изучающие процессы намагничивания ферромагнетиков.

На основе анализа результатов большого количества экспериментальных работ, проведенных в ходе разработки метода МПМ, предложен энергетический подход к изучению влияния факторов, указанных в соотношении (1) на изменение намагниченности ΔМ ферромагнетика.

В основе энергетического подхода лежит идея о том, что каждый ферромагнетик определенной формы и материала имеет определенную энергоемкость, характеризующую его предельную сопротивляемость внешним нагрузкам и разрушению. В экспериментальных исследованиях было получено, что предельное состояние, наступающее при разрушении ферромагнетика, имеет одинаковую энергетическую характеристику, т.е. энергия разрушения ферромагнетика и, соответственно, максимальное изменение его намагниченности ΔМ по соотношению (1), независимо от различного сочетания факторов и физических эффектов, приведших его к этому состоянию, одна и та же и является энергетической константой. При этом, время достижения предельного состояния, даже для однотипных изделий, в зависимости от различного сочетания факторов, может быть разным. Более подробно описание энергетического подхода в методе МПМ приведено в статье [5].

Влияние размагничивающего фактора и различных случайных помех на распределение ОН в изделиях, которые имеют место на практике (удары, наклепы, шероховатости поверхности, влияние внешних магнитных полей) и методология отстройки от них рассматриваются в учебном пособии [4].

Еще один из типичных вопросов, который приходится слышать в кругу "магнитчиков" и других специалистов в области НК: "Зачем и почему методу МПМ дано такое название?". В приборах, используемых при контроле методом МПМ применяются в основном феррозондовые датчики, и поэтому очень часто специалистами предлагается называть метод МПМ просто феррозондовым методом НК. В связи с этим необходимо заявить о том, что на взгляд автора принципиально нельзя давать название любому методу НК по типу используемого датчика. Если следовать этой логике, то, например, метод акустической эмиссии и различные методы вибродиагностики, использующие пьезопреобразователи, также нужно назвать как методы "пьезопреобразования". Название и классификация методов НК должна быть по типу физических полей и эффектов, используемых в том или другом методе.

В настоящее время, согласно ГОСТ 18353 "Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов" можно насчитать более 100 различных методов НК, в названии которых хаотично отображены и переплетены типы датчиков и используемые физические эффекты без четкой их классификации на физической основе. Сортируя известные методы НК по типу физических полей, можно получить следующие виды:

• электрические;
• магнитные;
• электромагнитные;
• тепловые;
• механические.

При этом, такие известные и широко применяемые методы как оптические, радиоволновые, рентгеновские, акустические, голографические, капиллярные, методы электрического сопротивления, тензометрические, а также методы муара, сеток, фотоупругости и другие не исчезли, они заняли свои места в этих пяти видах. В статье [6] более подробно рассматриваются предложения по новой системе классификации методов НК.

Теперь рассмотрим в популярной форме некоторые положения, касающиеся названия метода МПМ и его физических основ.

Понятие "магнитная память металла" введено автором впервые в 1994 году и до этого времени в технической литературе не применялось. Были известны термины и понятия: «магнитная память Земли» в археологических исследованиях; «магнитная память» в звукозаписи; «эффект памяти формы», обусловленный структурно-фазовыми превращениями, ориентированными внутренними напряжениями в изделиях из металла.

На основе установленной взаимосвязи дислокационных процессов с физикой магнитных явлений в металлах изделий введено понятие «магнитная память металла» и разработан новый метод диагностики. Уникальность метода МПМ заключается в том, что он основан на использовании собственного магнитного поля рассеяния (СМПР). Возникновение СМПР обусловлено формированием доменных границ на скоплениях дислокаций высокой плотности (дислокационных стенках) под действием рабочих нагрузок. Ни при каких условиях с искусственным намагничиванием в работающих конструкциях такой источник информации, как собственное магнитное поле, получить невозможно. Только в малом внешнем поле, каким является магнитное поле Земли, в нагруженных конструкциях, когда энергия деформации на порядок превосходит энергию внешнего магнитного поля, такая информация формируется и может быть получена. СМПР, сформировавшееся под действием рабочих нагрузок, одновременно является и мерой коэрцитивности металла. В практических работах показано, что метод МПМ может применяться, как при работе оборудования, так и после снятия рабочих нагрузок, во время ремонта. В силу «магнитодислокационного гистерезиса» магнитная текстура, сформировавшаяся под действием рабочих нагрузок, после их снятия как бы «замораживается». Таким образом, предоставляется уникальная возможность путем считывания этой информации с помощью специализированных приборов выполнять оценку фактического напряженно-деформированного состояния оборудования и выявлять на раннем этапе зоны максимальной поврежденности металла.

Физические основы возникновения СМПР принципиально другие в сравнении с магнитными полями рассеяния (МПР), возникающими на дефектах изделий при их искусственном намагничивании, используемом в известных магнитных методах НК. СМПР возникает в локальных зонах (от 0,1 до десятков мкм) на поверхности и в глубинных слоях металла изделий. Исследование СМПР и физических основ его возникновения до «рождения» метода МПМ (90-е годы прошлого столетия) не выполнялось и такая задача не ставилась! Возникновение СМПР обусловлено взаимодействием силовых полей с электромагнитными полями микрочастиц, последовательно составляющих атом, примитивную кристаллическую решетку, затем ее элементарную ячейку, саму решетку, домен и, наконец, группу доменов, при условии несовершенства кристаллической решетки. Механизм самонамагничивания ферромагнитных изделий и возникновения в них СМПР с учетом энергии квантового поля, являющегося причиной гистерезиса, подробно описан в работе [3].

СМПР возникают и на новых изделиях машиностроения непосредственно после их изготовления. Известно, что при нагревании ферромагнетика выше температуры Кюри (например, для железа Т_к ⩰ 770°С) и последующем его охлаждении даже в слабом внешнем магнитном поле Земли он приобретает такой уровень намагниченности, которого можно достигнуть при нормальной температуре лишь в магнитном поле большой интенсивности. Именно при таких условиях, как правило, формируется «естественная» (термоостаточная) намагниченность при изготовлении изделий машиностроения. Механизм возникновения реальной магнитной текстуры изделия (плавка, ковка, термическая обработка, сварка) происходит непосредственно после кристаллизации при охлаждении ниже точки Кюри. При этом процесс охлаждения реальных изделий происходит, как правило, неравномерно. Наружные слои металла охлаждаются быстрее, чем внутренние. Образуются термические напряжения по объему изделия, которые вызывают сдвиговую деформацию кристаллической решетки и формируют соответствующую магнитную текстуру. В местах наибольшей концентрации дефектов кристаллической решетки (например, скоплений дислокаций) и неоднородностей структуры образуются узлы закрепления доменных границ (ДГ) с выходом на поверхность изделия вдоль площадок скольжения, как правило, в виде линий смены знака нормальной составляющей СМПР (линий H_р=0). В промышленных исследованиях установлено, что сформированная таким образом термоостаточная намагниченность отображает структурную и технологическую наследственность изделия, а линии H_р=0 соответствуют линиям концентрации остаточных напряжений. Разработана серия методик по контролю качества изделий машиностроения с использованием метода МПМ.

На основе анализа результатов экспериментальных исследований и практической диагностики сделан вывод о наличии, по крайней мере, трех разновидностей физических эффектов, лежащих в основе метода МПМ. Одним из эффектов является магнитоупругий, и, казалось бы, досконально изученный. Второй эффект – магнитопластика, характеризующий процесс взаимодействия магнитных полей с дислокациями и их скоплениями [3]. Третий эффект – явление возникновения СМПР в условиях одновременного действия на ферромагнетик внешних нагрузок и слабого геомагнитного поля.

Если рассматривать механизмы проявления этих эффектов в экспериментальных исследованиях в связи с критериями современной механики разрушений [7], то становится очевидным, что применение метода МПМ на практике представляет собой новое направление в технической диагностике. Метод МПМ объединяет потенциальные возможности неразрушающего контроля, механики разрушения и материаловедения. При выполнении контроля оборудования и конструкций представляется еще одна уникальная возможность проявления волн деформации, которые обусловлены действием рабочих нагрузок, структурной неоднородностью и геометрическими размерами объекта контроля [8, 9]. Таким образом, по мнению автора, магнитная память металла – это новое физическое явление, благодаря которому предоставляется возможность выявлять реологические свойства материала изделий: силомоментные напряжения, реакцию на воздействие внешних сил и релаксацию, геометрические смещения в процессах деформирования. Эффект магнитной памяти металла, как нового физического явления, требует дальнейшего исследования.

Особо следует отметить роль магнитного поля Земли в методе МПМ. Геомагнитное поле, присутствующее везде, является обязательным условием формирования магнитомеханической информации, используемой при диагностике оборудования. Благодаря прецессии магнитных моментов атомов деформированной кристаллической решетки в магнитном поле Земли, на макроуровне проявляется фактическое НДС ферромагнитного изделия.

В работе [3] разработана магнитомеханическая диаграмма, на которой показаны результаты энергетического взаимодействия силовых и магнитных полей в процессе намагничивания ферромагнитных изделий. Показаны границы областей преимущественного влияния силового и магнитного полей. При напряженности внешнего поля H ≤ 1200 А/м графики изменения чувствительности силовой и магнитной составляющих совпадают независимо от напряженно-деформированного состояния изделий. А при напряженности внешнего поля значительно меньше, например, при значении внешнего магнитного поля Земли (~50 А/м) процесс намагничивания определяется силовым полем и направление внутреннего магнитного поля в ферромагнетике отслеживает направление развивающегося скольжения во всем диапазоне силового воздействия, вплоть до разрушения. В работах [3, 7] даны представления о формировании магнитомеханических доменов с позиций энергетического взаимодействия силовых и магнитных полей.

На основе вышеизложенного предлагается метод МПМ выделить среди всех магнитных методов НК как отдельный вид контроля по аналогии с методом АЭ, выделенным особо среди акустических методов НК.

В заключении отметим некоторые итоги развития и распространения метода МПМ в России и других странах. По состоянию на январь 2020 года метод МПМ и соответствующие приборы контроля получили распространение, кроме России, в 44 странах мира. В НОАП ООО «Энергодиагностика» по методу МПМ подготовлено:

• более 2600 специалистов в России;
• более 500 специалистов в Китае;
• 85 специалистов в Польше;
• более 230 специалистов в других странах.

Программа подготовки и аттестации специалистов по методу МПМ согласована с Ростехнадзором. Данная программа и учебное пособие прошли экспертизу специалистами разных стран в комиссии "Контроль качества сварки" Международного института сварки (МИС) и приняты в качестве документа МИСа № V-1347-06.

На основе международных стандартов по методу МПМ (ISO 24497-1:2007(Е), 24497-2:2007(Е), 24497-3:2007(Е)) введены в действие национальные стандарты в России, Болгарии, Иране, Италии, Канаде, Китае, Корее, Монголии, Польше, Украине.

В России имеется более 60 действующих руководящих документов и отраслевых стандартов, в которых даны методические указания по применению метода МПМ при диагностике оборудования.

В последние годы в России приобретает все большее развитие бесконтактная магнитометрическая диагностика (БМД) газонефтепроводов, водоводов, трубопроводов теплосети, расположенных под слоем грунта. Это направление, развиваемое рядом предприятий, становится основным методом при контроле труднодоступных участков трубопроводов. В основе БМД лежат диагностические параметры, разработанные и используемые в методе МПМ.

Развитие метода МПМ, представляющего новое направление в технической диагностике, идет широким фронтом. Одновременно с развитием методологии происходит модернизация приборов и сканирующих устройств, совершенствуется процесс обучения специалистов, проводятся экспериментальные работы в лабораторных и промышленных условиях.

В ряде стран, где метод МПМ получил наибольшее распространение (Россия, Китай, Польша, Чехия, Венгрия, Германия), в научно-исследовательских и учебных институтах ведутся активные исследования структурных и механических свойств металла образцов с применением физического метода МПМ. Метод МПМ представляет уникальные возможности при экспериментальных исследованиях физико-механических и прочностных свойств металла как в лабораторных, так и промышленных условиях.

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, № 12, 2003. С. 27-29.

2. Горкунов Э.С. Различные состояния остаточной намагниченности и их устойчивости к внешним воздействиям. К вопросу о "методе магнитной памяти" // Дефектоскопия, № 11, 2014. С. 3-21.

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

4. Дубов А.А., Дубов Ал.А., Колокольников С.М. Метод магнитной памяти металла и приборы контроля: учеб. пособие. 5-е изд. М.: ИД "Спектр", 2012. 395 с.

5. Дубов А.А. Энергодиагностика – физическая основа метода магнитной памяти металла // Территория NDT, № 2, 2014. С. 46-49.

6. Дубов А.А., Власов В.Т. О классификации методов // В мире НК, № 8. 2007. С. 63-64.

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

8. Дубов А.А., Дубов Ал.А. Эффект проявления волн деформации труб и сосудов в экспериментальных исследованиях с помощью метода магнитной памяти металла // Территория NDT, № 1, 2016. С. 55-60.

9. Кожинов М.И. Закономерности формирования аномалий собственного магнитного поля рассеяния в условиях потери устойчивости тонкостенных цилиндрических резервуаров // Деформация и разрушение материалов, № 5, 2015. С. 43-47.