Diex - Коерцитивний метод
Контроль напружено-деформованого стану (ПДВ) сталевих металоконструкцій є одним із визначальних факторів в оцінці надійності підйомної споруди у процесі експлуатації.
З використанням у виробництво зварних металоконструкцій необхідність оцінки ПДВ ставала дедалі актуальною усім стадіях життєвого циклу вироби, т.к. темпи старіння устаткування значно випереджають темпи технічного переоснащення.
За останні двадцять років через фізичне старіння понад 85% кранового парку вийшли за межі нормативного терміну експлуатації, що загрожує промисловій безпеці. Більше того, після розвалу СРСР і наслідків фінансових та економічних криз замість збанкрутілих підприємств на площах, що звільнилися, з'явилися нові, але з іншим профілем виробництва, власники яких стали основними споживачами на «вторинному ринку» дешевої кранової техніки, яка невідомо скільки років була в експлуатації.
Як один із напрямків вирішення цієї проблеми на підставі багаторічних досліджень набула поширення практика діагностики металоконструкцій підйомних споруд при експертизі промислової безпеки на основі вимірювання магнітної характеристики металу - коерцитивної сили (Hc).
Теоретичні основи оцінки напружено-деформованого стану несучої металоконструкції крана
1. Взаємозв'язок магнітних та механічних властивостей зі структурним станом сталей та сплавів
При оцінці напружено-деформованого стану металоконструкцій кранів в основу методик магнітної діагностики (неруйнівних методів контролю) покладено взаємозв'язок та кореляційні залежностімагнітних, електромагнітних та механічних властивостей сталей та сплавів, які визначаються структурним станом, хімічним та фазовим складами речовини.
З усіх магнітних властивостей до структурно-чутливих характеристик відносяться крива намагнічування, форма і площа петлі магнітного гістерезису (мається на увазі приватний цикл, для чого проводять багаторазове комутування магнітного поля від +Нmах до -Нmах) та їх основні параметри: коерцитивна сила Hc; залишкова індукція Вг, (Н) або залишкова намагніченість Мг (Н), магнітна проникність (сприйнятливість) речовини Мг і магнітна проникність кривої намагнічування (Мн, Мmах).
Структурно-чутливі магнітні характеристики анізотропні; вони чутливі до кристалографічної структури, змін мікро та макронапруг, до мікроструктури, форми та розмірів.
Величина коерцитивної сили Hc залежить від обсягу та розмірів (дисперсності) включень.
Наприклад: магнітні та електричні властивості мікроструктури сталей залежать від вмісту вуглецю та легуючих елементів.
Підвищення вмісту вуглецю призводить до збільшення коерцитивної сили, електроопору та зниження намагніченості насичення.
Наявність у сталях 09Г2С, 20ХН3А легуючих елементів також призводить до збільшення (Сг, Si, Ni, Су) або зменшення (Мn) коерцитивної сили.
Аналізуючи вплив різних структурних параметрів на гальмування ковзних дислокацій та затримку усунення доменних кордонів, можна відзначити спільність їхнього впливу на механічні та магнітні властивості.
Так, підвищення в структурі сталі щільності дислокацій (N) супроводжується збільшенням характеристик міцності і значень коерцитивної сили.
Слід зазначити, що σ0,2 (умовна межа плинності) та Hcпропорційні N.
Підвищення мікронапруги в сталі призводить до зростання σ0,2 і Нc.
Збільшення обсягу перлітної складової у структурі стали супроводжуються підвищенням Нc та σ0,2.
Показовий той факт, що коерцитивна сила та умовна межа плинності пропорційні обсягу включень до сталі; з теорії Керстена Нс
v 2 /3 та експериментальні дані для σ0,2 дають таку ж залежність.
Збільшення розміру зерна (d) супроводжується зниженням як 0,2 так і Hc; правда, Hc
Таким чином, магнітний метод контролю, що не руйнує, застосовується за наявності стійких парних або множинних ймовірнісних співвідношень між контрольованими показниками якості металоконструкції і магнітними характеристиками сталі.
2. Фізичні основи магнітного контролю.
Неруйнівний магнітний контроль механічних властивостей феромагнітних матеріалів заснований на кореляції між магнітними та фізико-механічними властивостями, коли вони одночасно залежать від одних і тих самих факторів: хімічного складу, режиму термічної обробки, пластичної деформації, мікро- та макронапруг, розташування дислокацій та ін.
У разі вуглецевих малолегованих сталей перелічені вище фактори одночасно і однозначно впливають на механічні та магнітні властивості металу. Тому магнітний метод, що не руйнує, може успішно застосовуватися для контролю напружено-деформованого стану металу, рівня пластичної деформації та втомних ушкоджень найбільш навантажених вузлів металоконструкцій, що працюють в умовах тривалого циклічного навантаження до таких відносяться їздові балки двотавра та елементи опорних вузлів.
Мікро- та макродефекти структури, накопичуючись у металі в процесі циклічного навантаження при розтягуванні,стиску, вигину або крученні, як би збирають і зберігають інформацію, однозначно пов'язану з максимальними величинами навантажень, що діяли, в результаті чого структура металу сталевої деталі конструкції виконує функції своєрідного запам'ятовує датчика пікового значення сили. А ряд магнітних параметрів, однозначно пов'язаних з кількістю порушень структури металу, таким чином є своєрідним відображенням силового режиму роботи конструкції.
Як основний контрольований магнітний параметр була обрана величина коерцитивної сили Hc, так як вона однозначно пов'язана з залишковою пластичною деформацією εpl при статичному і циклічному навантаженні металоконструкцій в процесі експлуатації.
За своєю природою Hc і εpl є взаємопов'язаними параметрами, що зростають при циклічному навантаженні, як це можна бачити при аналізі магнітних і деформаційних петель гістерезису, рис. насичення феромагнетика (при В=0 по граничній петлі гістерезису), і може бути представлена, як:
| У | залишкова індукція; |
| До | циклічний коефіцієнт напруги; |
| n | циклічний коефіцієнт зміцнення; |
| E | модуль пружності. |
Залишкова деформація εpl - амплітуда незворотної деформації - визначається аналогічними параметрами:
| σ | амплітуда навантаження; |
| E | модуль пружності. |
H c = B E + B K 1 n (3)
ε pl = σ E + σ K 1 n (4)
| Нс | коерцитивна сила | εpl | залишкова деформація |
| Схід | залишкова індукція | σa | амплітуда навантажень |
| До | циклічний коефіцієнт напруги | n | циклічний коефіцієнт зміцнення |
Малюнок 1. Магнітна та деформаційна петлі гістерезису при МЦУ.
За наявності кореляційних залежностей між Hc та εpl за величиною коерцитивної сили можна вести контроль накопичення пошкоджень у металі, пружно-пластичної деформації металу, а також прогнозувати втомну довговічність металу.
Практично всі види сталей, що застосовуються при конструюванні несучих елементів вантажопідйомних машин і механізмів, відносяться до класу зміцнюваних, у яких H c 0
Залежно від прийнятих у нормативно-технічній документації критеріїв при розрахунку конструкційної міцності несучих елементів критичні значення коерцитивної сили можуть бути встановлені на рівні межі плинності H c T або межі міцності H c B .
Характерно, що при оцінці ресурсу металоконструкції значення H c N і H c B збігаються, так як граничний стан металу за величиною коерцитивної сили однаково для циклічного і статичного навантаження.
Відповідно до МВ 0.00-7.01-05 контроль стану елементів металоконструкційздійснюється на основі номограм, побудованих для кожного типу сталі зі статистичною обробкою результатів згідно з ГОСТ 30415-96.
Зміна величини коерцитивної сили в металі, як зазначалося вище, провадиться магнітним структуроскопом КРМ-ЦК-2М, розробленим НВФ "СНР" та МНВО "СПЕКТР" для діагностування об'єктів Держпромгірнагляду МНС України та Держгіртехнагляду України. Структуроскоп пройшов Міжвідомчу комісію має Сертифікат відповідності до метрологічних норм №0000482. За наявності кореляційних залежностей за ГОСТ 30415-96 приладом можна проводити контроль напруг, деформацій та ресурсу сталевих металоконструкцій.
Кількісними критеріями оцінки стану металоконструкції є максимальні значення коерцитивної сили H c max в розрахункових елементах підйомних споруд у процесі експлуатації. Підвищення Hc порівняно з вихідним значенням H c 0 свідчить про зростання залишкових внутрішніх напруг та деформацій. З переходом в пружно-пластичний стан (H c max = H c T ) метал починає втрачати запас пластичності, який остаточно вичерпується на стадії розміцнення та переходу до руйнування, коли ( H c max = H c B ). Тому весь прогнозований термін роботи підйомної споруди (ПС) може бути поділений на етапи за ступенем накопичення залишкових деформацій та мікроушкоджень у найбільш навантажених елементах металоконструкцій. МВ 0.00-7.01-05 передбачено три режими експлуатації ПС:
- режим "надійної" експлуатації при H c max H c T коли метал працює в пружній області діаграми навантаження і максимальна напруга не перевищують фізичної межі пружності сталі.
- режим "контрольованої" експлуатації при H c max ≤ H c T , коли окремі елементи металоконструкції працюють у пружно-пластичнійобласті діаграми навантаження, а максимальна залишкова напруга досягає фізичної межі плинності сталі. При роботі в режимі "контрольованої" експлуатації необхідні:
- організація постійного візуального контролю над елементами металоконструкцій, які у область пружно-пластичних деформацій;
- при проведенні чергових повних технічних оглядів (ПТО) проводити магнітний (коерцитиметричний) контроль із фіксацією результатів вимірів СР у паспорті ПС, що дозволить відстежувати динаміку розвитку втоми напружено-деформованого стану металу.
- "критичний" режим експлуатації при H c T ≤ H c max ≤ H c B , коли окремі елементи ПС працюють в пружно-пластичній та пластичній областях діаграми навантаження і максимальна напруга перевищують межу плинності сталі, в результаті чого з'являються втомні тріщини. Під час роботи в "критичному" режимі необхідно:
- зробити посилення елементів, які мають H c max ≥0,9 H c B , оскільки у кілька разів зростає технічний ризик руйнування;
- виключити можливість навантаження ПС;
- обмежити термін наступного обстеження до 1 року.
Нормативною базою магнітного (коерцитиметричного) контролю (МТкс) є: Міжнародний стандарт ІСО 4301, міждержавний стандарт ГОСТ 30415-96 (з ізм. 1), методичні вказівки РД ІКЦ "Кран" 07/97/02 (Україна), МВ 0.00- -05 (Україна).
З 2012 р. проведення магнітного коерцитиметричного контролю запроваджено як обов'язковий етап робіт під час проведення експертного обстеження несучих елементів металоконструкцій портальних кранів, які відпрацювали нормативний термін служби (ОМД 22460848.003-2012).