Оценка возможности применения магнитного метода с намагничиванием переменным током в полях, не приводящих к насыщению для определения напряжений в конструкции. Определение зависимости параметров перемагничивания метала и коэрцитиметра от напряжений.
Аннотация к работе
Такая ситуация привела к развитию способов и методик технической диагностики объектов - проведения контроля с целью оценки текущего состояния объекта. В то время как существуют различные методики, дающие возможность с высокой достоверностью определить первые два фактора, напряженно-деформированное состояние остается наименее технически освоенным и математически обеспеченным. Метод магнитной памяти используют для поиска аномальных зон собственных полей рассеивания с интерпретацией последних в зоны концентрации напряжений [2]. Наиболее подходящим для определения пластических деформаций и напряжений является метод коэрцитивной силы [4, 5]. Целью работы была оценка возможности применения магнитного метода с намагничиванием переменным током в полях, не приводящих к насыщению для определения напряжений в конструкции.В результате проведенных экспериментов получили данные о зависимости величины H/Hmax|B=0 от напряжений для двух случаев ориентации датчика: вдоль направления действия напряжений и поперек (рисунок 2). Анализ данных показал, что между этими величинами существует линейная зависимость, причем изменение величины H/Hmax|B=0 с увеличением уровня напряжений при расположении датчика поперек действия напряжений происходит сильнее, чем при его расположении вдоль. Для случая поперечного размещения датчика коэффициент детерминации R2 составил 0,9, таким образом, такая аппроксимация является достаточно точной и может быть использована для дальнейших расчетов. Для случая продольного размещения датчика коэффициент детерминации равен 0.21, то есть зависимость между величинами практически отсутствует. При измерении напряжений коэрцитиметром для случая поперечного размещения датчика коэффициент детерминации составил 0,8, а для продольного размещения - 0,02.Экспериментально доказана принципиальная возможность использования параметров перемагничивания материала в слабых магнитных полях для определения напряженного состояния конструкции. Предложенная схема позволяет выполнять измерение в режиме сканирования, поскольку датчик не примагничивается к изделию. Экспериментально получены зависимости параметра перемагничивания H/Hmax|B=0 от напряжений в металле.
Вывод
В результате проведенных экспериментов получили данные о зависимости величины H/Hmax|B=0 от напряжений для двух случаев ориентации датчика: вдоль направления действия напряжений и поперек (рисунок 2). Анализ данных показал, что между этими величинами существует линейная зависимость, причем изменение величины H/Hmax|B=0 с увеличением уровня напряжений при расположении датчика поперек действия напряжений происходит сильнее, чем при его расположении вдоль.
Провели аппроксимацию этих данных линейной зависимостью y = a·x b. Для случая поперечного размещения датчика коэффициент детерминации R2 составил 0,9, таким образом, такая аппроксимация является достаточно точной и может быть использована для дальнейших расчетов. При этом зависимость описывается выражением
(1)
Для случая продольного размещения датчика коэффициент детерминации равен 0.21, то есть зависимость между величинами практически отсутствует. Аппроксимация этих данных логарифмической, экспоненциальной и степенной функциями не привели к существенному улучшению результатов. Поэтому при продольном расположении датчика в данном случае невозможно судить о величине остаточных напряжений в металле образца. Это соответствует известным литературным данным [4].
Для проверки предложенной методики определения напряжений провели аналогичные эксперименты с применением серийного коэрцитиметра «КИМ-2М» (рисунок 3). Аппроксимацию проводили аналогично первой серии экспериментов. При измерении напряжений коэрцитиметром для случая поперечного размещения датчика коэффициент детерминации составил 0,8, а для продольного размещения - 0,02.
Рисунок 2 - Зависимость параметров перемагничивания от напряжений (расположение датчика поперек действия напряжений - сплошная линия, вдоль действия напряжений - штриховая линия)
Рисунок 3 - Зависимость показателей коэрцитиметра от напряжений (расположение датчика поперек действия напряжений - сплошная линия, вдоль действия напряжений - штриховая линия)
Это означает достаточно точную зависимость для поперечного размещения и полное ее отсутствие для продольного, как и для экспериментов с намагничиванием переменным полем. Таким образом, можно сделать вывод о том, что предложенный подход к определению напряжений имеет характер, аналогичный зависимостям измеряемой величины от напряжений, и несколько большую корреляцию этих данных.
Для каждой группы измерений выполнили расчет ошибки определения величины напряжений в образце. Рассчитанные по зависимости (1) значения напряжений сравнивали с реальной величиной напряжений, которые создавали в образце с помощью балки. Анализ полученных данных показал, что максимальная ошибка с увеличением напряжений уменьшается (рисунок 4) и при напряжениях выше 100 МПА становится меньше 20%. Величина напряжений 100 МПА значительно меньше предела текучести низкоуглеродистых конструкционных сталей, поэтому предложенный метод определения напряжений пригоден для оценки уровня остаточных напряжений в сварной конструкции и поиска наиболее напряженных участков.1. Экспериментально доказана принципиальная возможность использования параметров перемагничивания материала в слабых магнитных полях для определения напряженного состояния конструкции. Предложенная схема позволяет выполнять измерение в режиме сканирования, поскольку датчик не примагничивается к изделию.
2. Экспериментально получены зависимости параметра перемагничивания H/Hmax|B=0 от напряжений в металле. Показано, что информативными являются данные, полученные при поперечном расположении преобразователя по отношению к направлению напряжений. Представлена расчетная зависимость для расчета параметра перемагничивания при известном уровне напряжений, коэффициент детерминации которой составляет 0,9. Использование продольного направления расположения преобразователя малоинформативно: зависимость между параметрами практически отсутствует. Эти зависимости коррелируются с аналогичными зависимостями, полученными методом коэрцитивной силы с использованием промышленного прибора.
3. Показано, что максимальная ошибка при определении напряжений с использованием параметров перемагничивания материала в слабых магнитных полях уменьшается с увеличением напряжений. При напряжениях выше 100 МПА максимальная ошибка не превышает 20 %. Таким образом, предложенный метод определения напряжений пригоден для оценки уровня остаточных напряжений в сварной конструкции и поиска наиболее напряженных участков.
Рисунок 4 - Максимальная ошибка определения напряжений
Список литературы
1. Фомичев С.К. Сбор, накопление и визуализация данных мониторинга напряженного состояния магистральных трубопроводов / С.К. Фомичев, А.Е. Пирумов, С.Н. Минаков, А.С. Минаков, А.В. Данильчик, С.В. Михалко, М.А. Яременко // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2012. - № 1. - С. 49-52.
2. Дубов А.А. Метод магнитной памяти металла и приборы контроля: учебное пособие / А.А. Дубов, С.М. Колокольников. - М.: ЗАО «ТИССО». - 2006. - 332 с.
3. Венгринович В.Л. Байесовский подход к неразрушающему контролю напряженно-деформированного состояния / В.Л. Венгринович, Д.В. Дмитрович // Техн. диагностика и неразруш. контроль. - 2008. - №4. - С. 45-53.
4. Бахарев М.С. Разработка методов измерения механических напряжений на основе обратимых и квазиобратимых магнитоупругих явлений: автореферат дис. … д-ра техн. наук: спец. 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» / М.С. Бахарев. - Томск: Томский политехн. ун-т. - 2004. - 45 с.
5. Мужицкий В. Ф. Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса стальных металлоконструкций подъемных сооружений и сосудов, работающих под давлением/ В.Ф. Мужицкий, Б.Е. Попов, Г.Я. Безлюдько // Дефектоскопия. - 2001. - №1. - С. 38-46.