Внешнее устройство приборов серии ИКН

Лабораторная работа на тему: «Метод магнитной памяти металла»

УФА 2014

 

Содержание

 

	Введение………………………………………………………………….
1.	Цели лабораторной работы………………………………………..……..
2.	Общие сведения………………………………………………………….
3.	Внешнее устройство приборов серии ИКН…………………………….
4.	Технология контроля……………………………………………………
5.	Содержание отчета……………………………………………………….
	Список литературы………………………………………………………

 

 

Введение

Традиционные методы и средства диагностики (ультразвуковая дефекто­скопия, магнитопорошковая диагностика, рентгенографический контроль) на­правлены на поиск уже развитых дефектов и по своему назначению не могут предотвратить внезапные усталостные повреждения оборудования - основные причины аварий и источники травматизма обслуживающего персонала.

Известно, что основными источниками возникновения повреждений в работающих конструкциях являются зоны концентрации напряжений (КН), в которых процессы коррозии, усталости и ползучести развиваются наиболее ин­тенсивно. Следовательно, определение зон КН| является одной из важнейших задач диагностики оборудования и конструкций.

Процессами, предшествующими эксплуатационному повреждению, яв­ляются изменения свойств металла (коррозия, усталость, ползучесть) в зонах концентрации напряжений. Соответственно, изменяется намагниченность ме­талла, отражающая фактическое напряжённо- деформированное состояние тру­бопроводов, оборудования и конструкций.

В настоящее время в России разработан и успешно внедряется на прак­тике принципиально новый метод диагностики оборудования и конструкций, основанный на использовании магнитной памяти металла (МИМ). МПМ объединяет потенциальные возможности неразрушающего контроля (НК) и механики разрушений, вследствие чего, имеет ряд существенных преимуществ перед другими методами при контроле промышленных объектов.

Основные практические преимущества нового метода диагностики, по сравнению с известными магнитными и другими традиционными методами неразрушающего контроля (НК), следующие:

- применение метода не требует специальных намагничивающих уст­ройств, так как используется явление намагничивания узлов оборудования и конструкций в процессе их работы;

- места концентрации напряжений от рабочих нагрузок, заранее не извест­ные, определяются в процессе их контроля;

- зачистки металла и другой какой-либо подготовки контролируемой по­верхности не требуется;

- для выполнения контроля по предлагаемому методу используются при­боры, имеющие малые габариты, автономное питание и регистрирующие уст­ройства;

- специальные сканирующие устройства позволяют контролировать труб-опроводы, сосуды, оборудование в режиме экспресс-контроля со скоростью 100 м/час и более.

Метод МПМ является наиболее пригодным для практики методом НК при оценке фактического напряженно-деформированного состояния. Поэтому использование данного метода диагностики наиболее эффективно для ресурс­ной оценки узлов оборудования.

Метод МПМ позволяет выполнить интегральную оценку состояния узла с учётом качества металла, фактических условий эксплуатации и конструктивных особенности узла.

Цели лабораторной работы

1.1. Изучить метод магнитной памяти металла.

1.2. Изучить общее устройство и состав прибора контроля ИКН-2М-8,
1.З. Изучить общую технологию контроля объектов.

Общие сведения

Магнитной памятью металла называется последействие, которое прояв­ляется в виде остаточной намагниченности металла изделий и сварных соеди­нений, сформировавшейся в процессе их изготовления и охлаждения в слабом магнитном поле или в виде необратимого изменения намагниченности изделий в зонах концентрации напряжений и повреждений от рабочих нагрузок. Методом магнитной памяти металла (метод МПМ) называется метод неразрушающего контроля, основанный на анализе распределения собственного магнитного поля рассеяния (СМПР) на поверхности изделий с целью определения зон концентрации напряжений (ЗКН), дефектов и неоднородности структуры ме­талла и сварных соединений.

Метод МПМ относится к неразрушающему пассивному феррозондовому магнитному методу.

Метод МПМ основан на измерении и анализе распределения собствен­ных магнитных полей рассеяния металла изделий, отражающих их структурную и технологическую наследственность, включая сварные соединения. При контроле используют естественную намагниченность, сформировавшуюся в процессе изготовления изделия в магнитном поле Земли. При этом величина магнитных полей рассеяния в объекте контроля отражает тензор магнитной проницаемости, соответствующий тензору деформации и напряжении, обу­словленных действием рабочих нагрузок. Дня отдельных деталей' и изделий, а также для сварных соединений магнитное поле рассеяния (МПР) соответствует тензору остаточных напряжений после их изготовления и охлаждения и маг­нитном поле Земли.

Собственное магнитное поле рассеяния изделия (СМПР) - магнитное по­ле рассеяния, возникающее на поверхности изделия в зонах устойчивых полос скольжения дислокаций под действием рабочих или остаточных напряжений или в зонах максимальной неоднородности структуры металла на новых изде­лиях.

Для оборудования, находящегося в эксплуатации магнитная память про­является в необратимом изменении намагниченности металла в направлении действия максимальных напряжений от рабочих нагрузок.

На погрешность измерения МПР влияют следующие факторы:

- чистота поверхности объекта контроля (ОК);

- расстояние датчика от поверхности (ОК);

- скорость сканирования датчика вдоль поверхности (ОК);

- чувствительность датчика.

Общим признаком ЗКН и развитых дефектов является резкое локальное изменение поля Нр и его градиента Кин. Зоны максимальной КН соответству- ют зонам с максимальными величинами градиентов поля Кин. В силу магнито-механического эффекта на поверхности участка трубы, где образовались ЗКН, возникает магнитное поле соответствующего направления и, как правило, дру­гого знака.

Для количественной оценки уровня концентрации напряжений оп­ределяется градиент (интенсивность изменения) нормальной и/или тангенци­альной составляющих магнитного поля Нр;

 

Кин = |Нр|:1k, (1.1)

 

где Кин - градиент магнитного поля рассеяния, характеризующийся ин­тенсивностью изменения намагниченности металла в зоне концентрации на­пряжений (ЗКН) и соответственно интенсивностью изменения поля Нр;

|Нр| - модуль разности поля Нр между двумя точками контроля;

1k - расстояние между двумя точками контроля.

Метод МПМ определяет зоны концентрации напряжений, наличие де­фектов и неоднородности структуры металла и сварных соединений.

Метод МПМ применяют на изделиях из ферро- и парамагнитных сталей и сплавов, чугунах, без ограничения контролируемых размеров толщин, включая сварные соединения.

При использовании метода МПМ оборудование и конструкции контро­лируют как в рабочем состоянии (под нагрузкой), так и при их останове (после снятия рабочей нагрузки).

Зачистка и подготовка поверхности не требуются. Изоляцию толщиной более 4 мм рекомендуется снять. В отдельных случаях при контроле допуска­ется немагнитная изоляция толщиной более 4 мм. Максимально допустимый слой изоляции по толщине определяют опытным путем.

К ограничивающим факторам применения метода МПМ относят:

- искусственную намагниченность металла;

- постороннее ферромагнитное изделие на объекте контроля;

- наличие вблизи (ближе 1 м) объекта контроля источника внешнего магнитного поля и поля электросварки.

Шумы и вибрации ОК не оказывают влияния на результаты контроля.

Практически применимые методы магнитного вида неразрушающих ме­тодов контроля (НМК), как правило, основаны на корреляционных связях между физико-химическими, механическими свойствами и структурными состоя­ниями материала контролируемого участка конструкции и одной или несколь­кими магнитными характеристиками среды. Наиболее полно магнитные харак­теристики среды отражены к зависимости, известной под названием "петля магнитного гистерезиса" (рис. 2.1).

Наиболее известны "однопараметровые" варианты магнитных НМК.

На производстве широко применяется метод, основанный на измерении коэрцитивной силы Нс металла в точке контроля. Для его реализации разработан целый ряд приборов - коэрцитиметров. Принцип работы таких приборов обычно состоит в исполнении следующей последовательности операций: а) намагничивание контролируемого участка детали накладным преобразователем, б) последующее размагничивание этого участка нарастающим полем, с) фиксации напряженности поля, соответствующей коэрцитивной силе (это делается в процессе выполнения п. "б").

 

 

 

Рисунок 2.1 – Явление магнитного гистерезиса

 

Все современные приборы снабжены встроенными микропроцессорами, обеспечивающими автоматический контроль по заданной программе с обра­боткой результатов контроля. Измерение коэрцитивной силы материала изделий, как правило, находится в диапазоне 150 до 6000 А/.м. Однако, это не снимает их главный принципиальный недостаток - коэрцитивная сила одновременно зависит от целой гаммы физико-химических и структур- ных свойств среды (твердости, предела текучести, предела прочности, температуры описка, химического состава, различить сорта стали, чугуна, толщину закаленного слоя, ударную вязкость, деформационное состояние и др,). Если все, кроме од­ного, факторы примерно постоянны, что бывает и пределах одной конструкции, то коэрцитиметр позволяет выявить аномалии, часто связанные с искомым состоянием материала. Но, если перед Вами стоит задача обследования группы конструкций или достаточно протяжен- ного участка трубопровода, то здесь коэрцитиметр может подвести. Дело в том, что коэрцитивная сила Нс – это всего одна точка на петле гистерезиса.

Свойства могут измениться так, что Нс сохранит свое значение, хотя магнитные свойства и, следовательно, петля гистерезиса коренным образом будут отличаться от условий калибровки. И в этом случае точность измерений коэрцитивной силы ни коим образом не улучшит досто­верность дефектоскопии.

Другое направление магнитного вида дефектоскопии связано с попыткой контролировать техническое состояние конструкции по остаточной индукции Вr. Здесь в качестве детекторов параметров магнитного состояния металла используют различные магниточувствительные элементы – феррозонды, датчики Холла и пр.

Суть заключается в том, что замечено – в окрестности дефекта и аномалий напряженно-деформированного состояния металла значение остаточной индукции существенно отличается от "нормального". Принцип работы таких приборов обычно состоит в намагничивании до насыщения контролируемого участка детали накладным преобразователем и последующем снятии внешнего магнитного поля. В результате на этом участке остается только остаточная намагниченность, характеризуемая остаточной индукцией. Поскольку намагничивание осуществляется до насыщения, то измеренное (например, с помощью датчика Холла или с помощью феррозондов) значение является именно остаточной магнитной индукцией и действительно является магнитной величиной, характеризующей магнитные свойства именно материала, а не произвольным следствием влияния окружающей среды или случайной "магнитной" истории, В простейших приборах используют мощные постоянные магниты.

Этот принцип используется не только в переносных дефектоскопах, но и на вагонах-дефектоскопах (дефектоскопия рельс) и в кроулерах-снарядах внутритрубной диагностики.

Также, как и в вышерассмотренной группе методов, здесь есть одна «неприятность» – остаточная индукция зависит одновременно от целого ряда факторов (напряженно-деформированное состояние, физико-химический состав и т.д.).

Внешнее устройство приборов серии ИКН

Измеритель Концентрации Напряжений (ИКН) – система измерения, регистрации и обработки данных диагностики напряженно-деформированного состояния оборудования и конструкций с использованием метода магнитной памяти металла.

Приборы типа ИКН выпускаются серийно. По принципу работы они являются специализированными многоканальными феррозондовыми магнитометрами. Напряженность магнитного поля Нр на шкалах приборов проградуирована в А/м (Ампер/метр), Длина регистрируемого перемещении датчика проградуирована в мм (миллиметрах).

Приборы типа ИКН являются уникальными средствами измерений и имеют ряд существенных отличий от производимых в России и за рубежом измерителей напряженности магнитного поля (магнитометров) на основе феррозондовых преобразователей. Их уникальность заключается как в функциональном назначении (определение зон концентрации напряжений - основных источников развития повреждений оборудования), так и в конструктивных специфических особенностях, заметно выделяющих их среди известных магнитометров.

Отличительные особенности приборов типа ИКН:

- многоканальность (одновременно производится измерение поля Нр по нескольким каналам);

- наличие специализированных сканирующих устройств для контроля различного оборудования (14 типов), позволяющих со скоростью до 0,5 м/сек снимать показания напряженности поля и длины объекта контроля;

- возможность проведения автоматической обработки результатов контроля непосредственно на объекте контроля, используя установленное на приборе программ мое обеспечение;

- наличие энергонезависимой памяти (flesh-памяти) для записи результатов контроля на объекте и возможность передачи данных на компьютер через п оспе до вате льны и порт (RS232);

- возможность записи параметров контроля с заданной частотой в единицу времени (режим "таймера"), что позволяет выполнять контроль при движении изделий относительно датчиков (контроль вращающимся элементов, движущихся тросов и канатов, контроль рельс при движении вагона-дефектоскопа и т.д,);

- наличие в комплекте поставки программного обеспечения "ММП-Система 3.0”, предназначенного для углубленной обработки результатов контроля на компьютере под Windows 95-ХР, и учебного пособия по методу магнитной памяти металла.

Общий вид приборов показан на рис. 3.1

 

 

Рисунок 3.1 – Общий вид приборов серии ИКН (ИКН-1М-4. ИКН-2М-8, ИКН-4М-16, кроме ИКН-ЗМ-12)

Рассмотрим приборы более подробно на примере ИКН-2М-8.

По принципу работы прибор ИКП-2М-8 является специализированным

феррозондовым магнитометром с восемью каналами измерений. По величине и характеру изменения напряженности магнитного поля рассеяния Нр измеряемого прибором над поверхностью контролируемых объектов, по специализированным методикам определяются зоны КН на оборудовании, структурные изменения металла, поверхностные и подповерхностные дефекты. Связь между распределением поля Нр с зонами КН и конкретными дефектами устанавливается методологически.

Главными отличительными конструктивными и функциональными особенностями прибора ИКН-2М-8 являются:

- от 2 до 12 феррозондовых преобразователей;

- микропроцессор 16 бит;

-ёмкость оперативной памяти 1 Мб;

-блок flash-памяти 32 Мб для записи результатов контроля на объекте в течение 10-1 5 дней без сброса информации на компьютер;

-специальная клавиатура с 14 функциональными кнопками;

- жидкокристаллический экран с разрешением 320x240 точек для отображения графической информации непосредственно при контроле оборудования;

- габаритные размеры 243x120x40 мм;

- масса с аккумуляторными батареями 0,6 кг:

- питание от шести встроенных аккумуляторов DС 7,2В = 6х 1,2В.

Применение трехкомпонентных сканирующих устройств с высокочувствительными феррозондами в комплекте с прибором ИКН-2М-8 позволяет проводить бесконтактную магнитометрическую диагностику газо- и нефтепроводов, расположенных под землей.

 

Общие технические характеристики приборов типа ИКН:

 

Диапазон измерения величины Нр	± 2000 А/м
Основная относительная погрешность измеряемого магнитного поля для каждого канала, не более	5%
Относительная погрешность измеряемой длины, не более	5%
Минимальный / максимальный шаг сканирования (расстояние между двумя соседними точками измерений поля и длины)	1 /128 мм
Максимальная скорость сканирования при шаге 1 мм	0,2(0,5) м/с
Скорость передачи данных на компьютер через RS232	115 кбод
Потребляемая мощность	0,8-3,0 ВхА
Рабочий температурный диапазон	-15°С...+55°С
Диапазон относительной влажности	45% - 85%

Технология контроля

4.1 Подготовка к контролю

Подготовка к контролю состоит из следующих основных этапов:

- анализ технической документации на ОК и составление карты (формуляра) ОК;

- выбор типов датчиков и приборов контроля;

- настройка и калибровка приборов и датчиков в соответствии с инструк­цией, указанной в паспорте прибора;

- условное деление объекта контроля на отдельные участки и узлы, имеющие конструктивные особенности, и обозначение их на формуляре ОК.

Анализ технической документации на объект контроля включает в себя:

- выявление марок статей и типоразмера унтов:

- анализ режимов ОК и причин отказов (повреждений);

 

- выявление конструктивных особенностей узлов, мест расположения сварных соединений.

4.2 Проведение контроля (рис. 4.1)

Измеряют нормальную составляющую магнитного поля рассеяния Нр на поверхности ОК непрерывным или точечным сканированием датчиком прибо­ра, при этом на поверхности ОК определяют зоны с экстремальными измене­ниями поля Нр и линии с нулевым значением поля Нр (Нр = 0). Эти зоны и ли­нии по методике соответствуют зонам концентрации остаточных напряжений.

Для количественной оценки уровня концентрации остаточных напряже­ний определяют коэффициент интенсивности Кин, А/ изменения магнитного поля Нр.

Результаты контроля записывают в блок памяти приборов и затем, ис­пользуя программный продукт, определяют ЗКН с максимальным значением и считывают среднее значение для всех зон КН. выявленных на объекте контро­ля.

После определения значений и для всех зон, выявленных при контроле, выделяют две-три ЗКН с самыми большими значениями.

В ЗКН с максимальными значениями выполняют дополнительный кон­троль разрушающими или неразрушающими методами и отбирают наиболее представительною пробу металла или образен, для исследования структуры и механических свойств металла.

4.3 Оформление результатов контроля

Результаты контроля фиксируют в протоколе, при этом указывают сле­дующие данные:

- наименование узлов и участков, на которых выявлены ЗКН;

- экстремальные значения поля Нр и его градиента Кин в ЗКН;

- результаты дополнительного контроля в ЗКН другими методами НК.

- визуальные наблюдения,

- наработку объекта контроля с начала эксплуатации;

- тип прибора, используемого при контроле;

- выводы по результатам контроля;

- дату контроля, фамилию и подпись специалиста, выполнявшего кон­троль.

К протоколу прикладывают формуляр объекта контроля с обозначением на нем зон контроля и выявленных ЗКН. По результатам контроля составляют заключение с анализом результатов, выводами и приложением магнитограмм, характеризующих состояние объекта контроля.

Результаты контроля следует сохранять до следующего обследования ОК.

 

Просмотр магнитограмм на экране монитора

 

Выявление зон КН по аномальным изменениям МПР и Кин по каждому каналу измерений и по базе между каналами измерений

Составление таблицы значений с максимальными Кин для каждой зоны КН

Расчет среднего значения

Определение магнитного показателя деформационной способности металла для всех ЗКН

m<mпр m>mпр

Классификация зон КН: - удовлетворительно; - группа зон КН для периодического контроля - неудовлетворительно (требует замены).

Дополнительный контроль традиционными методами НК

Заполнение протокола и распечатка магнитограмм в объеме, согласованным с Заказчиком

 

НДС – напряженно-деформированное состояние; МПР - магнитное поле рассеяния;

- коэффициент предельного состояния металла по прочности (определяется при лабораторных, и промышленных исследованиях).

Рисунок 4.1 Алгоритм обработки результатов контроля ММП (магнитограмм) с использованием программы «ММП-Система»

 

На рис. 4.2 показана общая схема контроля для любых «технологических трубопроводов с использованием специализированного магнитометрического прибора - измерителя концентрации напряжений типа ИКН.

 

Прибор имеет эк­ран, блок памяти для регистрации результатов измерений и сканирующее устройство в виде тележки, на которой смонтированы датчики измерений магнит­ного поля Нр и длины трубопроводов.

 

1 - сканирующее устройство с датчиком измерения длины; 2, 3 - феррозондовые преобразователи (количество преобразователей может быть от двух до шестнадцати в зависимости от задач контроля и типоразмера трубопровода); 4 - соединительный кабель; 5 - прибор типа ИКН с блоком памяти и экраном для отображения графической информации.

 

Рисунок 4.2 – Схема контроля трубопровода двухканальным датчиком

 

На рис. 4.3 в качестве примера показан фрагмент распределении магнитного поля Нр вдоль участка газопровода Ø168х16, имеющего видимый прогиб. Эпюра распределения поля Нр соответствует фактической деформации газо­провода.

 

Рисунок 4.3 – Распределения магнитного поля Нр вдоль участка газопровода

 

Для оперативного 100% контроля сварных швов и стенок газонефтепроводов большого диаметра (Ø530-1420мм) разработан сканер-дефектоскоп, по­зволяющий выполнять оценку состояния всей поверхности трубы со скоростью 100 п. м в час и более (рис. 4.4 и рис. 4.5). При этом снятие изоляции и зачистки поверхности трубы не требуется и используется естественная намагниченность металла, оформи рвавшаяся в процессе эксплуатации (магнитная память ме­талла).

 

Рисунок 4.4

 

Рисунок 4.5

Дня обработки результатов и выявления участков, работающих в наибо­лее напряженных условиях, используйся программный продукт "ММП-Система".

На рис. 4.6 и рис. 4.7 представлены фрагменты результатов контроля от­дельных участков газо- и нефтепроводов, расположенных под слоем грунта на глубине около двух метров.

На рис. 4.6 показаны результаты контроля участка подземного газопровода Ø530, ст.20. На графиках распределения поля Нр по трем составляющим (нормальной и тангенциальным (продольной и поперечной)) имеет место ло­кальное изменение магнитного поля с максимальным градиентом в зоне КН (смотрите нижнюю часть магнитограммы).

Рисунок 4.6

На рис. 4.7 представлено распределение результирующего матичного ноля Нр над нефтепроводом Ø21х8мм, сталь 20, находящемся под грунтом на глубине около 2 м. Отмеченные зоны КН характерны для трубопроводов, рабо­тающих в условиях недостатка самокомпенсации в сочетании с высокими остаточными напряжениями после изготовления и монтажа.

Рисунок 4.7

На рис. 4.8 представлена схема контроля стыковых сварных соединений труб. Как видно, феррозондовые преобразователи 1и 3 располагаются при контроле по зонам термического влияния (ЗТВ) с обеих сторон шва, преобразователь 2 расположен между ними посередине, а преобразователь 4 расположен вертикально в противоположную сторону и предназначен для от­стройки от внешнего магнитного поля.

1, 2, 3 - феррозондовые преобразовате­ли сканирующего устройства для регистрации поля Нр на поверхности сварно­го шва; 4 - феррозондовый преобразователь для отстройки от внешнего маг­нитного поля Нр; 5 - колёса привода измерителя

 

Рисунок 4.8 – Схема контроля лыковых сварных соединений труб четырехканальным датчиком прибора ИКН-1М-4

На рис. 4.9а показано типичное распределение остаточных напряжений на сварном соединении пластин. На рис. 4.9б показано распределение танген­циальной составляющей магнитного поля рассеянии Нрх, которое фиксируется при контроле МПМ при измерении поля перпендикулярно сварному шву (1, 2, 3 - разные сечения пластины). Из этих рисунков видна хорошая качественная сходимость распределений остаточных напряжений и магнитного поля.

Рисунок 4.9 а Рисунок 4.9 б

Содержание отчета

5.1 Записать цель работ.

5.2 Записать основные термины иопределения (раздел 2).

5.3Ознакомиться с устройством ИКН-2М-8.

5.4 Ознакомиться с технологией проведения контроля и записать основ­ные положения.

Список литературы

1. Дубов А.А., Дубов Ал.А., Колокольников С.М, Метод магнитной памя­ти металла и приборы контроля. Учебное пособие. М: ЗАО "ТИССО", 2008. 365с.

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

3. Власов 11.'Г_Ч Дубов А.А. Физические основы метода магнитной памяти металла, М,: ЗАО "ТИССО". 2004. 424 с.

4. Дубов А.А. А.С 2029263. Патент России и стран СНГ'. Способ определения остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов. Бюллетень изобретений, №5, 1995.

5. Дубов А. А, Диагностика котельных труб с использованием магнитной памяти металла, М.: Энергоатомиздат, 1995.

6. Дубов А,А. Диагностика трубопроводов, оборудования и конструкцийс использованием магнитной памяти металла. Сборник статей и докладов. М.: Энергодиагностика, 2001.

7. ГОСТ Р 52005-2003 Контроль неразрушающий. Метод магнитной памяти металла. Общие требования

8. ГОСТ Р 52081-2003. Контроль неразрушающий. Метод магнитной па­мяти металла. Термины и определения.

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