автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Исследование и разработка метода локального магнитного контроля напряженно-деформированного состояния металла элементов корпусного оборудования и металлоконструкций

УДК 620.179.14

На правах рукописи

Загидулин Тимур Ринатович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА ЛОКАЛЬНОГО МАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛА ЭЛЕМЕНТОВ КОРПУСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2015

005558584

005558584

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ), г. Уфа

Научный руководитель

Официальные оппоненты

- доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ), г. Уфа

Бадамшпн Рустам Ахмаровнч

- доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики» (МГУПИ), г. Москва

Шкатов Петр Николавсвич

Ведущая организация

кандидат технических наук, доценг ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» (НИУ «МЭИ»), г. Москва Слесарев Дмитрий Александрович

- ЗАО «Фирма ТВЕМА», г. Москва

Защита диссертации состоится 25 марта 2015 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 520.010.01 ЗАО «НИИИН М11ПО «Спектр» по адресу: 119048, г. Москва, ул. Усачева, дом 35, строение 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО «ШШИН МНПО «Спектр».

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессо]

Кузелев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Для оценки технического состояния стальных изделии и металлоконструкций, находящихся в процессе эксплуатации, предварительно выявляют дефектные участки, дают оценку напряженно-деформированного состояния (НДС) металла и степени опасности разрушения. Контроль НДС металла в промышленных условиях проводится техническими средствами, которые основаны на разных физических методах (акустические, электромагнитные, магнитные и т.д.). В последние годы большой интерес проявляется к магнитным методам контроля работоспособности стальных изделий и элементов металлоконструкций, которые основаны на корреляции структурно-чувствительных магнитных параметров и механического напряжения металла. Разработанные магнитные методы и технические средства оценки механического напряжения металла обладают рядом преимуществ, важных для ранней диагностики НДС металла стальных изделий и элементов металлоконструкций. Это неразрушающее действие и возможность осуществления контроля в полевых условиях, и дистанционного контроля с мониторингом НДС металла в процессе промышленной эксплуатации стальных изделий.

В практике технической диагностики стальных изделий и металлоконструкций магнитный контроль НДС металла производится с применением технических средств, основанных на регистрации величины магнитных шумов, магнитной анизотропии металла, коэрцитивной силы и использовании магнитной памяти металла.

Разработанным методам и существующим техническим средствам магнитного контроля НДС металла стальных изделий присущи ряд недостатков: однозначность показаний индикаторов механического напряжения металла по магнитным шумам и магнитной анизотропии металла лишь в области упругой деформации, и неопределенность показаний в области пластической деформации металла; значительная погрешность оценки величины механического напряжения металла (в среднем около 30 %) в условиях практического применения магнитных структуроскопов; необходимость меры сравнения НДС металла; отсутствие технологических регламентов магнитного контроля работоспособности стальных изделий и металлоконструкций (кроме подъемных устройств и сосудов, работающих под давлением).

Все это снижает эффективность магнитного контроля НДС металла и оценки работоспособности стальных изделии и металлоконструкций.

Наиболее важно применение магнитного контроля НДС металла при технической диагностике корпусного оборудования и металлоконструкций, обладающих значительными габаритными размерами и металлоемкостью (объекты энергетики, добычи нефти и газа, сети трубопроводов различного назначения и т.д.), для которых ранняя диагностика поврежденно-сти металла существенно снижает риски их внезапного разрушения, последствия которых наносят существенный ущерб экономике и экологии.

Однако контроль НДС металла корпусного оборудования и элементов металлоконструкций существующими техническими средствами магнитного контроля имеет сравнительно невысокую надежность и ограниченную практическую применимость из-за недостаточной локальности контроля НДС металла, существующих ограничений относительно линейных размеров преобразователей и контролируемого объекта (магнитные структуроскопы ц магнитошумовые приборы), недостаточной магнитоуп-ругой чувствительности и производительности контроля (длительность процесса измерения, необходимость поиска главных механических напряжений металла в плоскости контроля и т.д.).

Существует также проблема эффективного контроля усилия затяжки стальных шпилек и болтов в резьбовых соединениях корпусного оборудования, которая также относится к задаче локального контроля НДС металла. Поломки креплений корпусного оборудования и элементов металлоконструкций, связанные с неравномерностью и недостаточным усилием затяжки групповых резьбовых соединений, часто являются причинами аварий на объектах энергетики (Саяно-Шушенская ГЭС, 2009 г.) и на других промышленных объектах.

В связи с этим исследование и разработка метода локального магнитного контроля НДС металла элементов корпусного оборудования и металлоконструкций является актуальной задачей.

Данные проблемы могут быть успешно решены при использовании магнитного контроля НДС металла, основанного на применении остаточной намагниченности металла, обладающей высокой магнитоупругой чувствительностью и локальность контроля.

Цель диссертационной работы - исследование и разработка метода локального магнитного контроля напряженно-деформированного состоя-

пня металла элементов корпусного оборудования и металлоконструкций на основе структурно-чувствительного магнитного параметра - остаточной намагниченности металла.

Основные задачи работы

1. Анализ и обобщение современного состояния магнитного контроля НДС металла корпусного оборудования и металлоконструкций.

2. Теоретические и экспериментальные исследования зависимости напряженности поля остаточной намагниченности металла от механического напряжения при разном магнитном и механическом состоянии металла (деформируемое или деформированное стальное изделие).

3. Теоретические и экспериментальные исследования зависимости напряженности поля остаточной намагниченности металла от механического напряжения металла (усилия затяжки) стальных шпилек и болтов.

4. Разработка метода и технических средств локального магнитного контроля НДС металла элементов корпусного оборудования и металлоконструкций.

Методы решения поставленных задач

Поставленные задачи решались путем теоретических и экспериментальных исследований влияния НДС металла на структурно - чувствительные магнитные параметры и напряженность поля остаточной намагниченности металла.

При проведении исследований применялись магнитные и электромагнитные методы неразрушагощего контроля материалов и стальных изделий, теория ферромагнетизма, электродинамика сплошных сред, методы высшей математики и основы расчета прочности металлоконструкций.

Научная новизна

1. Получены аналитические выражения для зависимости напряженности поля остаточной намагниченности металла от механического напряжения при разном магнитном и механическом состоянии металла, которые определены через основные магнитные параметры металла.

Показано, что напряженность поля остаточной намагниченности металла деформируемого стального изделия монотонно уменьшается с повышением механического напряжения металла. При переходе в область пластической деформации металла уменьшение напряженности поля остаточной намагниченности деформируемого стального изделия прекращается. Получено аналитическое выражение для ранее неопределенного пара-

метра магнитоупругости остаточной намагниченности металла.

Установлено, что напряженность поля остаточной намагниченности металла деформированного стального изделия линейно зависит от механического напряжения во всей области деформации металла.

2. Разработана физическая модель формирования поля остаточной намагниченности металла стального изделия конечной толщины.

Показано, что на обратной поверхности остаточно намагниченного стального изделия конечной толщины вектор напряженности ноля остаточной намагниченности металла направлен против вектора напряженности магнитного поля стержневого намагничивающего устройства.

Предложены методы отстройки от влияния толщины металла на напряженность поля остаточной намагниченности при магнитном контроле НДС металла стального изделия, элемента металлоконструкции.

3. Разработана физическая модель формирования поля остаточной намагниченности металла над поверхностью стальной шпильки, болта.

Установлено, что зависимость напряженности поля остаточной намагниченности металла от усилия затяжки на торцевой и на боковой поверхности стальной шпильки, болта имеет одинаковый характер.

Найдено оптимальное условие для отстройки результатов магнитного контроля усилия затяжки стальной шпильки, болта от влияния линейных параметров (диаметр стержня, длина свободного торца и т.д.).

4. Разработаны методические основы локального магнитного контроля НДС металла элементов корпусного оборудования и металлоконструкций на основе напряженности поля остаточной намагниченности металла, предложен комплексный подход, включающий вихретоковую структуроскошно, оптическую металлографию и спектральный анализ.

На защиту выносятся результаты научных исследований по разработке метода локального магнитного контроля НДС металла элементов корпусного оборудования и металлоконструкций па основе магнитного диагностического параметра - напряженности поля остаточной намагниченности металла.

Практическая значимость п реализация результатов работы

Предложенный метод локального магнитного контроля НДС металла элементов корпусного оборудования и металлоконструкций на основе напряженности поля остаточной намагниченности повышает надежность контроля НДС металла за счет высокой локальности и чувствительности.

Одинаковый характер изменения показаний индикатора механического напряжения металла, полученных в разных частях стальной шпильки, болта позволяет осуществлять контроль усилия затяжки по любой доступной точке поверхности стального стержня.

Локальный магнитный контроль НДС металла на основе напряженности поля остаточной намагниченности металла позволяет проводить раннюю диагностику повреждеиности металла элементов корпусного оборудования и металлоконструкций, стальной шпильки, болта.

По результатам исследований созданы промышленные образцы индикаторов механического напряжения металла ИН-01м, ИН-02 сканирующего типа и программные приложения для локального магнитного контроля НДС металла элементов корпусного оборудования и металлоконструкций; разработан нормативно-методический документ «Методика исследования напряженно-деформированного состояния изделий из ферромагнитных материалов», утвержденный ФБУ РФЦСЭ при МЮ РФ и рекомендованный к применению экспертными лабораториями РФ.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на 3 Российской научно-технической конференции «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург, 2007 г.), па 4, 5, 6 Международной школе-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании» (г. Уфа, 2010 г., 2012 г. 2013 г.), на 6 Всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых с международным участием (г. Уфа, 2011 г.), на 19 Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике (г. Самара, 2011 г.), на конференции с международным участием «Современные проблемы радиоэлектроники» (г. Красноярск, 2012 г.), на Всероссийском семинаре экспертов федеральных бюджетных судебно-экспертных учреждений Минюста России (г. Москва, 2013 г.), на 20 Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике (г. Москва, 2014 г.), на 11 Европейской научно-технической конференции по неразрушающему контролю (Чехия, г. Прага, 2014 г.).

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 27 работах. На технические решения, реализованные в разработанных индикаторах меха-

нического напряжения металла, получены 4 патента РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка использованной литературы, включающего 129 наименований, 3 приложения. Она содержит 134 страницы машинописного текста, 11 таблиц и 46 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введешш приведено обоснование актуальности темы диссертации, сформулированы цель работы и задачи исследования, отражена научная новизна, изложены сведения об апробации и показана практическая ценность работы.

В первой главе выполнен анализ современного состояния проблемы контроля НДС металла н оценки работоспособности стальных изделий и элементов металлоконструкций по магнитным диагностическим параметрам. Существенный вклад в развитие физических методов контроля НДС металла внесли российские и зарубежные ученые: Клюев В.В., Горкунов Э.С., Зацепин H.H., Мужицкий В.Ф., Новиков В.Ф., Бобров В.Т., Самокру-тов A.A., Никитина Н.Е., Дубов A.A., Бобренко В.М., Мельгуй М.А., Сан-домирский С.Г., Венгриновнч B.JL, Hauk V., Santish S., Withers P.J., и др.

Установлено, что для повышения достоверности контроля НДС металла необходимы дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования взаимосвязи магнитных диагностических параметров и механического напряжения металла при упругих и пластических деформациях.

Указано на необходимость исследований возможности применения напряженности поля остаточной намагниченности металла для магнитного контроля усилия затяжки стальных шпилек и болтов в резьбовых соединениях корпусного оборудования.

Показана необходимость разработки метода и технических средств локального магнитного контроля НДС металла элементов корпусного оборудования и металлоконструкций на основе диагностического магнитного параметра - напряженности поля остаточной намагниченности металла.

Во второй главе приведены результаты исследования зависимости напряженности поля остаточной намагниченности от НДС металла при различном магнитном и механическом состоянии. Остаточная намагниченность металла создается полюсом стержневого магнита, размеры кото-

poro определяют локальность контроля НДС металла. Соотношение магнитного и механического состояния металла определяет характер остаточной намагниченности металла от механического напряжения.

Рассматриваются два практических случая:

- формирование остаточной намагниченности металла деформированного стального изделия, когда начальное магнитное состояние с остаточной намагниченностью металла Jr создается в присутствии внешних механических напряжений металла (JrФ 0, аФ 0);

- формирование остаточной намагниченности металла деформируемого стального изделия, когда начальное магнитное состояние создается до приложения внешних механических напряжений (Jrt 0, а- 0).

Получена аналитическая зависимость остаточной намагниченности металла деформированного стального изделия от механического напряжения, которая выражается через основные магнитные параметры металла:

У,(а) = У,0+-^-ст, (1)

где J,о - остаточная намагниченность деформированного и недефор-мированного металла, As - магнитострикция насыщения, /<о - магнитная постоянная, J, - намагниченность насыщения, N-размагничивающий фактор остаточио намагниченного участка металла.

Остаточная намагниченность металла деформированного стального изделия (1) линейно зависит от механического напряжения (аналогично коэрцитивной силе), при этом ее магнитоупругая чувствительность превышает магнитоупругую чувствительность коэрцитивной силы металла.

На основе теоретической модели, где локальная область с остаточной намагниченностью металла моделируется однородно заряженной плоскостью, получено аналитическое выражение для зависимости напряженности поля остаточной намагниченности от механического напряжения металла деформированного стального изделия:

Н,{<т) = Нг0+-Щ^<г, (2)

/'о j;N

где Н,(а), И,а - напряженность поля остаточной намагниченности деформированного и недеформировапного металла.

Зависимость Н,(а) деформированного стального изделия (2) является линейной. Из формулы (2) следует, что магнитоупругая чувствительность

напряженности поля остаточной намагниченности зависит от точки измерения и размеров ос-таточно намагниченной области металла (рис.1). Она имеет наибольшее значение при минимальном зазоре 2 и максимальной ширине остаточно намагниченной области металла 2а.

Расчетным путем установлена аналитическая зависимость величины остаточной намагниченности металла деформируемого стального изделия от механического напряжения металла:

к,

мТл/МПа

0.14

0,13 0.12 0.11 0,1 0,09

- а=10 мм -20 мм

- 50 мм

г. мм

Рисунок I - Зависимость машитоупругой чувствительности поля остаточной намагниченности металла от высоты измерения (зазора)

ЛО) = -

У,,

(3)

I + а

где В, - магнитная индукция насыщения, Во - магнитная индукция металла при минимальной магнитострикции, Нсо - коэрцитивная сила при а— 0.

Характерные особенности за- ]

висимости остаточной намагниченности металла от механического напряжения (3) тесно связаны с кривой деформации и магнитными свойствами металла (маркой стали):

- в области упругой и упруго-пластической деформации увеличение механического напряжения металла приводит к монотонному снижению остаточной намагниченности металла (участок I на рис.2);

- в области пластической деформации, где механическое напряжение металла постоянно, изменение остаточной намагниченности металла практически прекращается (участок 2 на рис.2);

- непосредственно перед разрушением металла происходит процесс деформационного упрочнения и некоторое уменьшение остаточной намагниченности металла (участок 3 на рис.2).

о

' <7

Рисунок 2 - Зависимость остаточной намагниченности металла от механического напряжения

сг, - предел текучести, <т, - предел прочности металла.

Процесс разрушения остаточной намагниченности металла является необратимым, поэтому формула (3) содержит абсолютное значение механического напряжения металла, независимо от вида деформации (растяжения или сжатия). В формулу (3) входит аналитическое выражение для неизвестного ранее параметра магнитоупругости в виде множителя перед механическим напряжением металла.

Из формул (2)-(3) следует выражение для зависимости напряженности поля остаточной намагниченности металла деформируемого стального изделия от механического напряжения:

#,(<т) = -

1 +

Я,

(4)

(Я; - Й02)Щ?) Нс0 из которого видно, что зависимость напряженности поля остаточной намагниченности и остаточной намагниченности металла от механического напряжения имеет одинаковый характер.

На рис.3, 4 показаны экспериментально полученные зависимости напряженности поля остаточной намагниченности металла от механического напряжения при деформации изгиба стальных пластин из различных марок сталей. Область с остаточной намагниченностью металла на поверхности стальных пластин создавалась постоянным магнитом стержневого типа с диаметром магнитного полюса равным 18 мм (рис.5). Нормальная составляющая напряженности поля остаточной намагниченности измерялась накладным преобразователем Холла (рис.6).

8,.мТл В.мТл

4 i

2 *

. i

t ,i * 1

О 30 60 SO 120 150 180 210 о мгь

Рисунок 3 - Зависимость напряженности поля остаточной намагниченности металла or механического напряжения деформированного стального изделия.

I - СтЗ, 2 - ВСтЗсп, 3 - 09Г2С, 4 - 17Г1С.

Рисунок 4 - Зависимость напряженности поля остаточной намагниченности металла от механического напряжения деформируемого стального изделия.

1 - СтЗ, 2 - ВСтЗсп, 3 - 09Г2С, 4 - 17Г1С.

Экспериментально полученные зависимости, представленные на рис.3, 4, полностью согласуются с аналитическими выражениями (2), (4).

Разработана физическая модель формирования поля остаточной намагниченности металла стального изделия конечной толщины (рис.5, 6). Поле остаточной намагниченности металла создается системой магнитных зарядов с поверхностной плотностью ои, сг,стгст,.2о, формируемых после удаления намагничивающего устройства от поверхности металла: Я,.(Р) = аг1Г^(?,<я'1,0) + <т,.27У(?,а'2 ,-1) + агг1вТР(г,с12,0) + <7,.2вТР(г,с{[-0,(5) где ТР(г,с/,1) - функция от координат и линейных параметров металла.

Распределение нормальной составляющей напряженности поля остаточной намагниченности металла /У,, (5) имеет противоположные знаки на лицевой 1 и обратной 2 поверхности стальной пластины, при этом распределение тангенциальных составляющих напряженности поля остаточной намагниченности металла //„¡, НгЛ, //п.ь Нгг2 имеет

i ■■ .vi е ■ - v -- .

-''е. У. ёSUESí _ в а > у у

Рисунок 5 - Намаг ничивание металла при магнитном контроле НДС стального изделия конечной толщины

Рисунок 7 - Распределение поля остаточной намагниченности металла на лицевой (—) и обратной поверхности (—) стального изделия конечной толщины

Рисунок 6 - Формирование поля остаточной намагниченности металла стального изделия конечной толщины

»

Рисунок 8 - Зависимость /-составляющей напряженности поля остаточной намагниченности металла на лицевой (—) и обратной поверхности (—) стального изделия от толщины металла

одинаковую полярность (рис.7).

На рис.8 приведены зависимости амплитуды г-сосгавляющен напряженности поля остаточной намагниченности металла на поверхностях стальной пластины от ее толщины Л отнесенной к диаметру магнитного полюса с!,,, стержневого намагничивающего устройства при различной величине зазора между магнитным полюсом и поверхностью металла /?, полученные на основе формул (5). На их основе предлагаются два пути отстройки результатов магнитного контроля НДС металла корпусного оборудования и металлоконструкций от влияния толщины металла:

- при соотношении линейных параметров / > с/„, влиянием толщины металла на поле остаточной намагниченности можно пренебречь;

- при соотношении линейных параметров I < с/,„ требуется корректировка измеренных значений напряженности поля остаточной намагниченности металла умножением на поправочный коэффициент ц.

В третьей главе приведены результаты исследования зависимости напряженности поля остаточной намагниченности от механического напряжения металла (усилия затяжки) стальных шпилек и болтов.

Остаточная намагниченность металла создается магнитным полюсом стержневого магнита на торцевой поверхности стержня стальной шпильки, болта. В этом случае параметр а в формуле (3) соответствует одноосному механическому напряжению металла.

Полученное аналитическое выражение для зависимости напряженности поля остаточной намагниченности металла в стержне затягиваемой стальной шпильки, болта от момента затяжки имеет вид:

где к\ и к\ - эмпирические коэффициенты, зависящие от трибологнческих свойств, линейных параметров резьбы и рабочего усилия затяжки.

Монотонное уменьшение напряженности поля остаточной намагниченности металла в процессе затяжки стальной шпильки, болта прекращается при приближении механического напряжения металла к пределу текучести (рис.2), что служит признаком достижения оптимального уровня затяжки (известно, что наиболее эффективны болтовые соединения, в которых механическое напряжение близко к пределу текучести металла). При этом нет необходимости предварительно получать зависимости для каждого типоразмера контролируемой стальной шпильки, болта.

Рисунок 9 — Зависимость напряженности поля остаточной намагниченности в разных точках стального болта от момента затяжки

На рис.9 показаны экспериментально измеренные зависимости напряженности поля остаточной намагниченности металла в разных точках стального болта от момента затяжки. Одинаковый наклон полученных графиков свидетельствует об однородном характере НДС металла в стержне стального болта. Возможность контроля усилия затяжки стальных шпилек, болтов в любой доступной точке поверхности имеет особенно большое практическое значение в энергетике, где обычно используются колпачковые гайки, исключающие возможность контроля усилия затяжки на торцах стальной шпильки.

На рис.10 приведены экспериментально полученные зависимости напряженности поля остаточной намагниченности металла от момента затяжки М стальных болтов с разной степенью поврежден мости металла, которая условно определяется как отношение площади пропила 5 к исходному поперечному сечению стального стержня (в %). При затяжке поврежденных стальных болтов уменьшение напряженности поля остаточной намагниченности металла происходит более интенсивно и участок 2 (рис.2), на котором оно прекращается, достигается раньше. Это дает возможность осуществления ранней диагностики поврежденности металла стальной шпильки, болта.

Для исследования напряженности поля остаточной намагниченности металла на торце стальной шпильки, болта разработана теоретическая модель, в которой поверхность стержня стальной шпильки, болта заменяется системой заряженных граней, имеющих соответствующие линейные размеры (рис. 11). Остаточная намаг ниченность металла на торце стальной

10 2 0 30 АО 50 СО 70 80 Л/.Мхт

Рисунок 10 - Изменение напряженности поля остаточной намагниченности металла при затяжке стального болта с различной степенью повреждениости

Рисунок 12 - Распределение поверхностной плотности магнитного заряда на торцевой (а) и на боковой поверхности (б) свободного торца стального стержня. 2а = 16 мм, 2Ь = 8 мм, 2/; = 16 мм, Д = 0,1 мм.

шпильки, болта определяется напряженностью магнитного поля совокупностью поверхностных магнитных зарядов на торцевой I и боковой поверхности свободного торца стальной шпильки, болта

у

(грани 2-5 на рис. 11, 12).

На основе теоретической

модели получены аналитические

выражения для пространственных

.. составляющих напряженности по-

Рисунок 11 - Модель для расчета напряженности поля остаточной намагниченно- ля остаточной намагниченности сти металла на торце стальной шпильки, металла стальной шпильки, болта: болта

Н (х, y,z) = — a, TF, (х, у, г, b, b, /г) + — а2 (TF¡ (х, г,у, a, h-a) + к ' к

+ TF,(х,г, у,a,h,a) + TF3(z,y,x,h,a,a) + TF3(z,y,x,h,a,-a))

Н (х, у, z) = — er, TF2 (x, v, z, b,b,h) + —o2 (7F3 (x, z, v, о, /г,-a) +

к ' к (7)

+ 7F3 (x, z, y, a, h,a) + TF2 (z, y, x, /г, а, а) + TF2 (z, y, x, /г, a,-a)\

H(x, v,z) = -cti 7F3 (x, v, z, 6, b, h) + - cr2 {TF2 (x, z, y, a, h-a) + к ' к

+ TF2 (x, z, y, a, /í, a) + 7F, (z, .y, x, h, a, а) + 7F, (z, y, x, A, «,-0)), где TF(x,y,¿,xuy\,Z\) - функция от координат и линейных параметров стального стержня и магнитного полюса.

(а) (б)

На результаты магнитного контроля усилия затяжки стальных шпилек и болтов оказывает влияние изменение длины свободного торца 2Л, которая даже для одного стыка может иметь разброс 8%-12% от номинальной длины стальной шпильки, болта.

Из формул (7) следует, что напряженность поля остаточной намагниченности возрастает при увеличении длины свободного торца (рис.13).

40.0 36.8 33.6 30.4 212 24.0

/

1

--в

Т / 2

Л 1______ А ____—

3

,.••'' i

Рисунок 13 - Зависимость #,, стальной шпильки, болта М12 от длины свободного торца стержня

1 - 2й=8 мм, 2-6 мм, 3-5 мм.

Рисунок 14 - Зависимость И,- стальной шпильки, болта М12 от ширины магнитного полюса

1 - 2Л=0 мм, 2 - 1 мм, 3-12 мм.

Для того чтобы это изменение напряженности поля остаточной намагниченности металла не превышало заданной погрешности (пунктирная линия на рис.14 соответствует е - 5%), ширина магнитного полюса намагничивающего устройс тва 2Ь должна удовлетворять условию:

2Ь < 8«, (8)

где 2а — диаметр стальной шпильки, болта. Согласно условию (10), для магнитного контроля усилия затяжки стальных шпилек и болтов в резьбовых соединениях корпусного оборудования (от М80 до М200 и более) следует использовать намагничивающие устройства с оптимальной шириной магнитного полюса от 20 мм до 50 мм.

Четвертая глава посвящена разработке метода и технических средств локального магнитного контроля НДС металла элементов корпусного оборудования и металлоконструкций. Приводится описание устройства и принципа работы индикатора механического напряжения металла ИН-01м (рис.15) на основе напряженности поля остаточной намагниченности, который удовлетворяет всем требованиям ГОСТ Р52330-2005.

Индикатор механического напряжения металла ИН-01м предназначен для локального магнитного контроля НДС металла элементов корпусного оборудования, металлоконструкций, и усилия затяжки резьбовых со-

Рисунок 15 — Внешний вид и структурная схема индикатора механического напряжения металла И11-01 м

1-намагничивающее устройство стержневого типа, 2-интегральный датчик Холла, 3-импульсный стабилизатор напряжения, 4-масштабный усилитель, совмещенный с фильтром нижних частот, 5-блок световой индикации превышения уровня сигнала, 6-микропроцессорный контроллер, 7-карта памяти, 8-жидкокристаллический дисплей.

единений. В зависимости от размера полюса намагничивающего устройства диаметр контролируемой области металла составляет 10-20 мм.

Результаты контроля НДС металла представляются в программном приложении «ИН-01м связь» в виде линейных или круговых графиков, объемных поверхностей или контурных диаграмм (рис. 16).

Описаны методические основы применения индикатора механического напряжения металла для контроля НДС металла элементов корпусного оборудования и металлоконструкций. Оценка НДС металла осуществляется по результатам магнитного контроля механического напряжения металла в совокупности точек поверхности, при этом:

- по наличию локальных максимумов в распределении напряженности поля остаточной намагниченности локализуются области с повышенным НДС металла;

- сравнением измеренной величины механического напряжения ме-

(а) (б)

Рисунок 16 - Представление результатов магнитного контроля НДС металла стальных изделий, металлоконструкций в программном приложении «ИН-01м связь»

а) - плоская поверхность, б) - контурная диаграмма.

талла с предельными механическими параметрами а, и <х„ устанавливается характер деформации металла (упругая, пластическая).

Таблица 1. Магнитные и механические параметры металла для некоторых конструкционных сталей ____

Марка стали <т„ МПа сг„, МПа Нль мТл Ип, мТл //,,,, мТл

Ст 3 210 350 0.33 0.63 0.73

09Г2С 325 470 0.51 0.91 1.06

17Г1С 350 520 0.51 1.11 1.42

Сталь 20 230 420 0.57 1.15 1.38

10ХСНД 400 540 0.63 1.23 1.45

Качественная оценка НДС металла осуществляется на основе сравнения измеренной напряженности поля остаточной намагниченности металла Нг со значением Нп, соответствующем пределу текучести металла и //,„, соответствующем пределу прочности металла (таблица 1), при этом:

- если выполняется условие Нг < Я,т, то делают заключение о том, что состояние металла данного участка элемента металлоконструкции соответствует области упругой деформации;

- если выполняется условие Нп< Н,- < Н,ъ , то делают заключение о том, что состояние металла данного участка элемента металлоконструкции соответствует области пластической деформации.

Количественная оценка механического напряжения металла осуществляется на основе предварительно полученных экспериментальных зависимостей напряженности поля остаточной намагниченности от механического напряжения металла (рис.3, 4).

Повышенное НДС металла может быть обусловлено различными причинами: остаточными механическими напряжениями в области пластической деформации металла; изменениями структуры и фазового состава металла; отклонениями в элементном составе сплава и т.д. Для определения источников повышенного НДС металла предлагается проводить комплексные исследования с применением вихретоковой структуроскопии, оптической металлографии, рентгеноструктурного анализа.

Приведены результаты магнитного контроля НДС металла элементов конструкции буровой установки, которая к моменту контроля отработала более 20 лет. В наиболее нагруженной секции буровой вышки выявлены области с повышенным НДС металла, где показания индикатора механического напряжения металла ИН-01м превышают показания на ос-

тальных участках на 40-45%.

В установленных областях с повышенным НДС металла буровой вышки, где металл перешел в область пластической деформации, получены оценки механического напряжения металла. Показана возможность расчета остаточного ресурса элементов конструкции буровой установки по результатам магнитного контроля НДС металла.

Магнитный контроль НДС металла индикатором механического напряжения металла ИН-01м эффективен при проведении технической экспертизы стальных изделий и элементов металлоконструкций.

На рис.17 показана микроструктура металла разрушенного стального изделия (при оптическом увеличении х80) в зонах со средним и с повышенным НДС металла, выявленных индикатором механического напряжения металла ИН-01м. В зонах с повышенным НДС металла углерод под влиянием высокой температуры образовал полиморфную модификацию - графит (рис.176), частицы которой стали концентраторами механических напряжений и источниками повышенного НДС металла. Измеренное значение твердости разрушенного стального изделия в той области металла, представленной на рис. 17а, равно 450 НВ; на рис.176, соответственно, 122 НВ. Результаты оптико-микроскопического исследования микроструктуры металла полностью подтверждают результаты магнитного контроля НДС металла с помощью индикатора ИН-01м.

Приводятся результаты предварительных испытаний и практического применения индикатора механического напряжения металла ИН-01м при магнитном контроле НДС металла элементов корпусного оборудования и металлоконструкций на объектах энергетики.

На рис. 18 показано распределение НДС металла (а), полученное при магнитном контроле индикатором механического напряжеЕШя металла ИН-01м, и удельной электропроводности металла (б), полученное вихретоко-

Рисунок 17 - Микроструктура металла стального изделия в зонах со средним (а) и с повышенным НДС металла (б)

вым структуроскопом ВЭ-26НП на поверхности ступицы рабочего колеса паровой турбины ГРЭС, остановленной на плановый ремонт.

а) б)

Рисунок 18 - Распределение НДС металла (а) и удельной электропроводности металла (б) на поверхности ступицы рабочего колеса паровой турбины

1 - область с повышенным НДС металла, 2 - область со структурными изменениями

На основе сопоставления полученных данных сделано заключение:

- на поверхности металла ступицы рабочего колеса повышенное НДС металла в областях 1 связано с наличием остаточных механических напряжений металла;

- на поверхности металла ступицы рабочего колеса повышенное НДС металла в области 2 связано со структурными изменениями металла, из-за термического влияния в процессе снятия и насадки деталей ротора. Результаты рентгеноспектрального анализа показали, что элементный состав металла в области 2 (рис.18) на диске рабочего колеса паровой турбины имеет существенные отклонения от требований ТУ 108.11.847-87, что является причиной появления области с повышенным НДС металла.

Приведены результаты магнитного контроля усилия затяжки групповых резьбовых соединений индикатором механического напряжения металла ИН-01м в элементах корпусного оборудования в объектах энергетики, поломки которых, как правило, связаны с разрушением стальных шпилек и болтов из-за бесконтрольной затяжки и исчерпания ресурса металла.

Приведены результаты магнитного контроля усилия затяжки стальных шпилек подогревателей высокого давления (ПВД) ГРЭС, который осуществлялся на боковой поверхности стального стержня.

Установлено, что механический контроль не обеспечивает требуемого уровня затяжки групповых резьбовых соединений ПВД, при этом наи-

Рисунок 19 - Показания индикатора механического напряжения металла ИН-01м на стальных шпильках подогревателей высокого давления

I - механический контроль, 2 - контроль ИН-01 м

больший разброс усилия затяжки стальных шпилек ПВД составляет от -37% до +70% относительно среднего значения (кривая I, рис.19).

После повторной корректирующей затяжки стальных шпилек ПВД, по результатам магнитного контроля шпилек индикатором механического напряжения металла ИН-01м, наибольший разброс усилия затяжки стальных шпилек не превышал ±15% (кривая 2, рис.19). Последующие гидравлические испытания ПВД ГРЭС прошли успешно, без разрушения установленных и проконтролированных стальных шпилек.

На рис.20 показаны результаты магнитного контроля усилия затяжки стальных шпилек крепления крышки гидротурбины, полученные индикатором механического напряжения металла ИН-01м при проведении ре-монтно-восстановительных работ в цехе гидротурбин ГЭС.

В.п!Г 1

Рисунок 20 - Показания индикатора механического напряжения металла ИН-01м на стальных шпильках крепления крышки турбины гидроагрегата

Установлена значительная неравномерность распределения усилия затяжки стальных шпилек крепления крышек гидроагрегатов, выявлены стальные шпильки с чрезмерным и с пониженным усилием затяжки. По результатам магнитного контроля были приняты меры по обеспечению рав-

номерного и точного уровня затяжки резьбовых соединений корпусного оборудования ГЭС.

Основные выводы и рекомендации

1. Получены аналитические выражения для зависимости напряженности поля остаточной намагниченности металла от механического напряжения при разном магнитном и механическом состоянии металла, которые определены через основные магнитные параметры металла.

Показано, что напряженность поля остаточной намагниченности металла деформируемого стального изделия монотонно уменьшается с повышением механического напряжения металла. При переходе в область пластической деформации металла уменьшение напряженности поля остаточной намагниченности деформируемого стального изделия прекращается. Получено аналитическое выражение для ранее неопределенного параметра магнитоупругости остаточной намагниченности металла.

Установлено, что напряженность поля остаточной намагниченности металла деформированного стального изделия линейно зависит от механического напряжения во всей области деформации металла.

2. Разработана физическая модель формирования поля остаточной намагниченности металла над поверхностью стального изделия конечной толщины. Показано, что на обратной поверхности остаточно намагниченного стального изделия, вектор напряженности поля остаточной намагниченности металла направлен против вектора напряженности магнитного поля стержневого намагничивающего устройства.

Предложены методы отстройки от влияния толщины металла па напряженность поля остаточной намагниченности при магнитном контроле НДС металла стального изделия, элемента металлоконструкции.

3. Разработана физическая модель формирования поля остаточной намагниченности металла над торцевой поверхностью стальной шпильки. Установлена одинаковость характера зависимости напряженности поля остаточной намагниченности металла над торцевой и боковой поверхностями стального стержня от усилия затяжки.

Предложен интегральный диагностический параметр для ранней диагностики поврежденностн металла стального стержня.

Найдено оптимальное условие для отстройки результатов магнитного контроля усилия затяжки стальной шпильки, болта от влияния линей-

ных параметров (диаметр стержня, длина свободного торца и т.д.).

4. Разработаны методические основы локального магнитного контроля НДС металла элементов корпусного оборудования и металлоконструкций на основе напряженности поля остаточной намагниченности металла, предложен комплексный подход, включающий вихретоковую структуроскопию, оптическую металлографию н спектральный анализ.

Разработан нормативно-методический документ «Методика исследования напряженно-деформированного состояния изделий из ферромагнитных материалов», утвержденный ФБУ РФЦСЭ при МЮ РФ и рекомендованный к применению экспертными лабораториями РФ.

Созданы промышленные образцы индикаторов механического напряжения металла ИН-01м, ИН-02 сканирующего типа и программные приложения для магнитного контроля НДС металла элементов корпусного оборудования и металлоконструкций.

Индикаторы механического напряжения металла ИН-01м применяются для технической диагностики промышленных объектов и металлоконструкций в ЗАО НПЦ «Молния» (г. Москва), ООО «ОЗНПО» (г. Октябрьский), ООО «Тарпш Мехаиосервис» ОАО «Башнефть» (г. Нефтекамск), ФБУ «Башкирская лаборатория судебной экспертизы МЮ РФ» (г. Уфа), ООО «НТЦ «Спектр» (г. Уфа).

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих научных трудах:

I. Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Загидулин Р.В., Мужицкий В.Ф., Загидулин Т.Р. Расчет поля остаточной намагниченности деформированной стальной пластины. - Вестник БашГУ, 2007, т.12, №2, е.12-14.

2. Загидулин Р.В., Якшибаев Б.Р., Загидулин Т.Р. Влияние дискретности полюсов магнитной системы на величину ее магнитного гтоля. - Контроль. Диагностика, 2009, №10, с.9-14.

3. Загидулин Р.В., Загидулин Т.Р. Исследование зависимости поля остаточной намагниченности металла от напряженно-деформированного состояния стального изделия. Часть 1. Зависимость остаточной намагниченности металла от механического напряжения. - Контроль. Диагностика, 2011, №7 (157), с.12-16.

4. Загидулин Р.В., Загидулин Т.Р. Исследование зависимости гюля остаточной намагниченности металла от напряженно-деформированного состояния стального изделия. Часть 2. Зависимость поля остаточной намагниченности металла от механического напряжения. - Контроль. Диагностика, 2011, №8 (158), с. 14-20.

5. Загидулин Р.В., Загидулин Т.Р., Абдрахманов Р.Г. Контроль усилия затяжки стальных болтов и шпилек с помощью индикатора механического напряжения металла ИН-01. - Контроль. Диагностика, 2012, №4, с.15-23.

6. Загидулин Р.В., Загидулии Т.Р., Прохоров В.М. Магнитный контроль и оценка остаточного ресурса элементов металлоконструкции буровых установок и агрегатов для ремонта скважин. - Контроль. Диагностика, 2012, № 5 (167), с. 12-19.

7. Загидулин Т.Р. Исследование влияния линейных параметров на результаты магнитного контроля усилия затяжки стальных шпилек и болтов. -Контроль. Диагностика, 2012, № 9 (171), с.12-20.

8. Загидулин Т.Р. Расчет магнитного поля стальной трубы конечной протяженности в постоянном однородном намагничивающем поле. - Контроль. Диагностика, 2014, №6 (192), с. 15-24.

9. Загидулин Т.Р. Влияние толщины стального изделия на величину поля остаточной намагниченности при магнитном контроле напряженно-деформированного состояния металла. - Контроль. Диагностика, 2014, №9 (195), с.9-16.

10. Загидулин Т.Р. Применение индикатора механического напряжения металла ИН-01 при технической диагностике и экспертизе элементов металлоконструкций. - Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2014, №9, том 80, с.62-66.

11. Монографии:

11. Загидулин Р.В., Загидулин Т.Р. Устройство внутрнтрубного размагничивания стальных трубопроводов. Физические принципы и технические концепции. - Saarbrucken: Lambert Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2011,- 114c.

III. Патенты:

12. Мужицкий В.Ф., Запускалов В.Г., Загидулин Р.В., Загидулин Т.Р. Устройство определения дефектов в ферромагнитном материале по остаточной намагниченности. - Патент РФ на полезную модель № 63062, Бюл.

изобр., 10.05.2007, № 13.

13. Загидулин Р.В., Загидулин Т.Р. Способ контроля уровня затяжки стального болта или шпильки. - Патент РФ на изобретение № 2456562, Бюл. изобр., 20.07.2012, № 20.

14. Загидулин Р.В., Загидулин Т.Р. Устройство для контроля усилия затяжки стального болта или шпильки. - Патент РФ па полезную модель №116231, Бюл. изобр., 20.05.2012, № 14.

15. Загидулин Р.В., Загидулин Т.Р. Устройство для непрерывного контроля напряженно-деформированного состояния металлоконструкции. - Патент РФ на полезную модель №141799, Бюл. изобр., 10.06.2014, № 16.

IV. Статьи и тезисы в трудах конференции:

16. Загидулин Р.В., Мужицкий В.Ф., Султанов М.Х., Загидулин Т.Р. Повышение достоверности оценки НДС стальных трубопроводов на основе многопараметрового подхода. - 3 Российская научно-техническая конференция «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций»: г. Екатеринбург, 24-26 апреля 2007 г.

17. Загидулин Т.Р. Зависимость остаточной намагниченности металла от механического напряжения. - Международная школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании»: БашГУ, г. Уфа, 3-7 октября 2010 г.

18. Загидулин Т.Р. Изменение напряженности поля остаточной намагниченности металла при деформации стального изделия. - 6 Всероссийская зимняя школа-семинар аспирантов и молодых ученых с международным участием: УГАТУ, г. Уфа, 15-18 февраля 201 1 г.

19. Загидулин Т.Р. Исследование возможности ранней диагностики повре-жденности стального изделия на основе напряженности поля остаточной намагниченности металла. — Научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: ФТИ БашГУ, г. Уфа, 22 апреля 2011 г.

20. Загидулин Р.В., Загидулин Т.Р. К магнитному контролю уровня затяжки стальных шпилек и болтов корпусного оборудования на объектах энергетики. - 19 Всероссийская научно-техническая конференция по неразру-шающему контролю и технической диагностике: СГЛУ им. Академика С.П.Королева, г. Самара, 6-8 сентября 2011 г., с.40-43.

21. Загидулин Т.Р., Загидулин Р.В. Индикатор механического напряжения металла стальных шпилек п болтов ИН-01. - Конференция с международ-

ным участием «Современные проблемы радиоэлектроники», посвященная 117-й годовщине Дня Радио: СФУ, г. Красноярск, 3-4 мая 2012 г.

22. Загидулин Р.В., Загидулин Т.Р. Возможности применения методов магнитного контроля стальных изделий и металлоконструкций в экспертной практике. - Всероссийский семинар экспертов федеральных бюджетных судебно-экспертных учреждений Минюста России, ФБУ РФЦСЭ, г. Москва, 27-31 мая 2013 г.

23. Загидулин Т.Р. Влияние линейных параметров магнитной системы и стержня стального болта на достоверность контроля механического напряжения металла индикатором напряжения ИН-01. - 5 Международная школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании», 14-18 октября 2012 г. - Уфа: РИД БашГУ, 2012. - с.40.

24. Загидулин Т.Р. Аналитическое решение задачи о цилиндре конечной длины в постоянном однородном магнитном поле. - 6 Международная школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании», 9-13 октября 2013 г. - Уфа: РИД БашГУ, 2013, с.4-6.

25. Загидулин Р.В., Загидулин Т.Р. Оценка папряжепно-деформнрованиого состояния и остаточного ресурса стальных изделий и металлоконструкций по величине поля остаточной намагниченности металла. - 20 Всероссийская научно-техническая конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике: тезисы докладов, Москва, 3-6 марта 2014 г.- М.: Издательский дом «Спектр», 2014, с.321-324.

26. Загидулин Р.В., Загидулин Т.Р. Контроль усилия затяжки стальных болтов и шпилек корпусного оборудования с помощью индикатора механического напряжения металла ИН-01 м. - 11 Европейская научно-техническая конференция по неразрушающему контролю, Чехия, г. Прага, 6-10 октября 2014 г., с. 175.

V. Статьи в других изданиях:

27. Галимуллин М.Л., Прохоров В.М., Загидулин Р.В., Загидулин Т.Р. Метод магнитного контроля и оценки остаточного ресурса элементов металлоконструкции буровых установок. - ТехНАДЗОР, 2011, №2(51), с.26-28.