Содержание к диссертации
Введение
1. Неразрушающие методы диагностики напряжений в металлоконструкциях
1.1. Физические основы определения измерения напряжений. 12
1.2. Выбор метода диагностики напряжений и задачи исследований 34
2. Техника измерения. образцы. 37
2.1 Аппаратура для исследования необратимых магнитоупругих явлений
2.2. Программно-аппаратный комплекс 42
2.3. Программы анализа напряжений
2.4. Заключение
3. Экспериментальное изучение закономерностей пьезодинамического (магнитоупругого) размагничивания ферромагнетика
3.1 Зависимость напряженности магнитного поля рассеяния локальной намагниченности от величины напряжений
3.2. Проверка гиперболической зависимости
3.3. Проверка экспоненциальной зависимости . 56
3.4. Возможности определения предела микротекучести и связанного с ним предела выносливости по кривым магкитоупругого размагничивания.
3.5. Магнитоупругий метод диагностирования развития трещин 65
3.6. О возможности магнитоупругого дистанционного измерения механических напряжений в металле трубопровода. 72
3.7 Заключение
4. Зависимость магнитоупругого размагничивания от величины, характера нагружения и уровня начальных напряжении .
4.1. Зависимость необратимого изменения напряженности поля локальной намагниченности от величины и уровня начальной нагрузки (режим увеличения нагрузки).
4.2. Зависимость необратимого изменения напряженности поля локальной намагниченности от величины механических напряжений и уровня начальной нагрузки (режим уменьшения нагрузки).
4.3. Определение механических напряжений с помощью дозированного разгружения.
4.4. Необратимое размагничивание локальной остаточной намагниченности при сложном нагружении.
4.4.1. Необратимое размагничивание локальной остаточной намагниченности при изменении давления в цилиндре
4.5. Необратимое размагничивание локальной остаточной намагниченности цилиндра при приложении осевых (сжимающих 116 или растягивающих) напряжений для заданного давления.
Основные результаты и выводы 122
Список использованных источников 124
- Выбор метода диагностики напряжений и задачи исследований
- Программы анализа напряжений
- Проверка экспоненциальной зависимости
- Зависимость необратимого изменения напряженности поля локальной намагниченности от величины механических напряжений и уровня начальной нагрузки (режим уменьшения нагрузки).
Введение к работе
На стадии проектирования и строительства металлоконструкций используются известные механические свойства материалов, определяются монтажные и эксплуатационные напряжения, в том числе и от сварки. Исходные данные по механическим свойствам металла позволяют оценить ресурсы прочности элементов или конструкции в целом. Закладывая большой запас прочности, оставляют оценку погрешности и достоверности определения напряжений в тени.
Такой подход обеспечивал работоспособность конструкции в течение 10-15 лет. Однако металлы даже одной марки отличаются по механическим свойствам, каждая деталь имеет свой набор слабых мест, обусловленных внутренними несовершенствами структуры металла. В процессе эксплуатации экстремальные нагрузки наносят неучтенный расчетами конструкции ущерб отдельным элементам. Поэтому по мере выработки машиной, конструкцией своего ресурса реальные эксплуатационные нагрузки могут существенно перераспределяться. Новейшие данные [1-3], полученные с помощью внутритрубной дефектоскопии, показывают, что разрушение трубопроводов (ТП) происходит очень неравномерно. В распределении дефектов коррозионного типа и трещин имеются резкие максимумы. Это значит, что есть участки, где ТП разрушается в несколько раз быстрее. Одна из причин этого заключается во влиянии напряженно-деформированного состояния ТП, обусловленном эксплуатационными и внутренними напряжениями, резкими сезонными колебаниями температуры, мерзлотным пучением грунта, его деформационным воздействием на ТП в местах разломов земной коры в геодинамических зонах [4]. Практически не изученной остается роль динамических напряжений в преждевременных разрушениях ТП. Хотя известно из других областей промышленности, что динамические напряжения как стохастического характера, так и регулярные циклические нагрузки, далекие от предела текучести, могут быть
решающими в преждевременных разрушениях конструкций [5]. Доказано, что они могут лежать в основе механизма возникновения усталостных и коррозионно-усталостных трещин. Имеется мнение, что стресс-коррозия представляет собой особую разновидность коррозионной усталости, так как эксперимент и опыт эксплуатации показывает [6], что при статическом нагружении она не возникает из-за отсутствия «динамической» компоненты.
Однако значительный силовой фактор, обусловленный взаимодействием грунта с трубой, в достаточной мере системно не исследуется, так как для этого нет оперативных средств. Существующие методы диагностики напряжений требуют, как правило, прямого контакта датчика с металлом, а поэтому трудоемки и неэффективны.
Использование магнитных полей рассеяния металлоконструкции для
целей диагностики механических напряжений имеет ряд несомненных
достоинств. Это прежде всего сильная зависимость магнитных свойств от
величины напряжений [7], возможность дистанционного контроля,
оперативность и др. Однако большие возможности необратимого
изменения остаточной намагниченности, обусловленные действием
механических напряжений (магнитоупругая память) [8-13], для целей измерения механических напряжений в ферромагнетиках практически не использованы, так как имеющиеся сведения фрагментарны и не было систематических исследований многих аспектов этого явления. Цель и задачи работы. Целью работы является разработка методов диагностики напряженно-деформированного состояния ферромагнитных материалов, применяемых в нефтяной и газовой промышленности, на основе изучения закономерностей необратимого изменения локальной остаточной намагниченности сталей 17Г1С и 09Г2С, Ст.20 и Ст. 3 при приложении упругих напряжений.
7 Научная новизна.
.Впервые исследована зависимость напряженности магнитного поля локальной остаточной намагниченности от величины сжимающих и растягивающих напряжений на низко коэрцитивных материалах (трубные стали 17Г1Си09Г2С).
Проведена проверка справедливости существующих для описания магнитоупругого размагничивания аналитических зависимостей и установлены границы их применимости.
Впервые изучено магнитоупругое размагничивание в зависимости от уровня начальной нагрузки при ее дозированном увеличении или уменьшении.
Разработаны научные основы нового метода определения механических напряжений по необратимому изменению поля рассеяния в результате снятия дозированной нагрузки.
Предложен новый способ диагностирования движения трещин.
Обнаружена слабая зависимость относительного магнитоупругого изменения магнитного поля от расстояния между трубой и намагничивающим устройством, связанным с датчиком поля.
Обнаружено сильное размагничивание при приложении осевых нагрузок к трубе с давлением.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Полученные в работе результаты позволяют определять механические напряжения в трубных сталях с помощью эффекта магнитоупрутой памяти.
Предложен новый метод определения механических напряжений по необратимому изменению поля рассеяния локальной остаточной намагниченности в результате приложения дозированной разгрузки.
Соединение в одном элементе (феррозонде) импульсного намагничивающего и измерительного устройства позволило предложить
8 экспресс-метод диагностирования движения трещины при нагружении
конструкционного материала.
Установление высокой чувствительности магнитоупругого размагничивания при приложении осевых нагрузок при одновременном существовании больших напряжений, вызванных внутренним давлением в трубопроводе, является основой метода измерения в нем осевых напряжений в режиме магнитоупругой памяти. Реальное практическое использование полученных результатов планируется при выполнении заключенной с СУРГУТГАЗПРОМом хоздоговорной темы «Определение мест повышенной разрушаемости магистрального газопровода».
Результаты исследований, изложенные в диссертации, используются в разработанном кафедрой физики №1 ТюмГНГУ учебном курсе «Неразрушающие методы контроля», читаемом в Тюменском государственном нефтегазовом университете. Работа является одной из составляющей Госбюджетной темы «Магнитоупругие и магнитопластические свойства ферромагнитных материалов», выполняемой в ТюмГНГУ.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на региональных и всероссийских научно-технических конференциях: «НЕФТЬ и ГАЗ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки» (г. Тюмень, 2002г.), международной конференции «Разрушение и мониторинг свойств металлов». (г.Екатеринбург, 2003г), областной научно-практической конференции «Электроэнергетика и применение передовых современных технологий в нефтегазовой промышленности»( Тюмень, 2003г).
Публикации, По материалам диссертации опубликовано 3 статьи в журнале «Нефть и газ», тезисы шести докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 136 страницах, содержит 63 рисунка, 3 таблицы и библиографию из 114 наименований.
9 Основное результаты работы опубликованы в следующих работах:
Башкин А.В., Новиков В.Ф„ Бахарев М.С, Дягилев В.Ф., Быков В.Ф., Болотов А.А. Магнитоупругий метод диагностики развития стресс-коррозионных трещин //Нефть и газ.-2002.- №6.- С.-68-73.
Новиков В.Ф., Дягилев В.Ф., Болотов А.А., Быков В.Ф., Бахарев М.С., Альмуков А.С. К диагностике механических напряжений в трубопроводе // НЕФТЬ и ГАЗ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки. Материалы научно-технической конференции.- Тюмень, 2002.- С 154-15.5.
3. Новиков В.Ф., Дягилев В.Ф., Бахарев М.С, Нассонов В.В, Прилуцкий
В.В. Об определении напряжений в трубных сталях. НЕФТЬ и ГАЗ:
проблемы недропользования, добычи и транспортировки. Материалы
научно-технической конференции.- Тюмень, 2002.- С. 246-247.
Дягилев В.Ф., Бахарев М.С,. Новиков В.Ф., Кулак СМ., Берлин Е.В. Аттестация магнитоупругого метода измерения напряжений //НЕФТЬ и ГАЗ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки. Материалы научно-технической конференции.- Тюмень, 2002.- С.247-248.
Новиков В.Ф., Дягилев В,Ф., Кулак СМ. Определение механических напряжений в трубопроводах с помощью магнитоупругой памяти металла. Влияние давления. Часть 1 // Электроэнергетика и применение передовых современных технологий в нефтегазовой промышленности: Материалы областной научно-практич. конференции,- Тюмень,2003, С47-50.
Новиков В.Ф., Дягилев В.Ф., Кулак С. М., Болотов А.А. Магнитоупругая память при сложном нагружении // «Разрушение и мониторинг свойств металлов».Материалы Второй международной конференции, Екатеринбург,2003.- С.55-56.
Новиков В.Ф., Дягилев В.Ф., Нассонов В,В., Прилуцкий В.В. -Закономерности необратимого изменения напряженности магнитного поля магнитной метки при приложении напряжений // Разрушение и мониторинг свойств металлов: Материалы Второй международной конференции.-Екатеринбург,2003.-С 56.
8. Новиков В.Ф., Бахарев М.С., Дягилев В.Ф., Фатеев И.Г., Федоров Б.В.,
Гаврил ов Е.И. Автономный запоминающий датчик максимального давления и температуры в скважине // Нефть и газ.-2002.- №6.- С.74-77.
9. Бахарев М.С., Новиков В.Ф., Рябченко В.Н., Муратов К.Р., Дягилев В.Ф.,
Быков В.Ф. Усиление деформации в геодинамической зоне // Нефть и
газ.2002.- №6.-С.77-79.
Выбор метода диагностики напряжений и задачи исследований
Образец из стали 17Г1С в форме пластины размерами 16,5 х 29 х 255 мм вырезан из трубы диаметром 1420 мм. Продольная коэрцитивная сила материала в состоянии поставки измерялась коэрцитиметром КИМ-2 и составила в среднем 460 А/м. Пластина размерами 7,5 29 264 мм3 из стали 09Г1С для обеспечения большей однородности напряжений являлась наружным слоем трехслойного образца, в середине которого находилась дюралевая пластина, а с другой стороны - пластина из стали 3 толщиной 6 мм. Все три пластины соединялись заклепками. Общая толщина сборки составляла 21,3 мм. Продольная коэрцитивная сила стали 09Г2С составила в среднем 570 А/м. Пластины выбранных сталей вырезались из труб с помощью газовой резки. С целью уменьшения температурного воздействия их ширина бралась на ] 6-20 мм больше, чем конечная. Последующая обработка с боков пластин производилась фрезерованием. Характеристика других образцов (трубы и для цилиндров) дана в соответствующих разделах диссертации.
Создание механических напряжений в материале пластин с помощью простого трехточечного нагружения (см. рис,2.Ь), приводящего к их изгибу, позволяло в широких пределах изменять нагрузку на поверхности пластины и провести весь запланированный комплекс исследований как при растяжении, так и при сжатии. Недостатком такого подхода является неоднородность напряжений по толщине пластины. Чтобы уменьшить его влияние, были приняты меры по уменьшению глубины промагничивания материала. Для этого использовалось импульсное намагничивание. Была рассчитана намагничивающая катушка с небольшой индуктивностью, позволяющая сделать время разряда конденсаторов порядка нескольких миллисекунд. Для экспериментальной оценки глубины промагничивания изготовлена широкая (40 мм) пластина из стали 17Г1С, толщина которой ступенчато изменялась от 1 мм до 4 мм через 1 мм. Намагничивающая катушка помещалась на одной поверхности образца, а феррозонд - на противоположной. Измерения показали, что при толщине пластины 2мм величина поля меньше, чем на наружной стороне в 3,9 раз, а при 3 мм - в 8 раз. При удалении феррозонда от поверхности пластины на 2 и 3 мм напряженность поля уменьшилась в 1,4 и в 2 раза соответственно. Можно считать, что величина поля, достигающего внешней поверхности пластины с глубины 2 мм меньше, чем на поверхности в 5,46 и в 16 раз с глубины в Змм. Проведя графическое усреднение полученных результатов по глубине пластины, получили для ее среднего значения 1,1 мм. При толщине исследуемой пластины в 16,5 мм и величине нагрузки на поверхности пластины в 300 МПа пересчитанное на глубину 1,1 мм ее значение составляет 261 МПа. Разность в 39 МПа будет, по-видимому, представлять абсолютную систематическую погрешность по напряжению, а относительная погрешность может быть оценена в 13 %. В дальнейшем на графиках сопоставляются данные по величине напряженности магнитного поля и напряжениях, определяемых с помощью тензодатчика, т.е. на поверхности образца. В этом случае суммарная погрешность, определяемая погрешностями при измерении напряженности поля в 5% (магнитометр) и механических напряжений (тензопреобразование) в 7%, оценена в 8,6 . 2.2. Аппаратура для исследования необратимых магнитоупругих явлений и техника эксперимента
При исследовании магнитоупругого эффекта остаточно намагниченного участка ферромагнетика необходимо измерять и фиксировать в результате действия механических напряжений необратимое изменение напряженности магнитного поля [9, 53, 54, 101].
Для этого образец или его выбранный участок сначала намагничивался до насыщения. Затем метала подвергался растяжению или сжатию. В процессе растяжения или сжатия образца напряженность его магнитного поля уменьшалась. Величина магнитного поля была тем больше, чем больше была прикладываемая нагрузка. Отсюда сделан вывод, что металл «запоминает» прикладываемую к нему нагрузку в виде изменения напряженности магнитного поля.
Для изучения эффекта магнитоупругой памяти на пластинах применялось трехточечное нагружение. При вращении винта (2) создается сила F, которая прогибает образец на расстояние у. В результате верхняя половина образца сжимается, а нижняя растягивается. Эпюра напряжений представляет собой прямую, проходящую через ноль в середине образца. Намагничивающая катушка (5), расположенная на расстоянии h от центра приложения силы, создает остаточно намагниченный участок материала (магнитную метку) с напряженностью магнитного поля рассеивания порядка (200 — 400) А/м в зависимости от материала и его структурного состояния. Для намагничивания используется намагничивающее устройство (рис.2.2), представляющее собой выпрямитель, блок конденсаторов, замыкаемых ключом на намагничивающую катушку.
Блок конденсаторов состоит из четырех электролитических конденсаторов емкостью по 500 мкФ и допустимым напряжением 400 В. Общая емкость блока: 0,0005-4=0,002 [Ф]. Параметры катушки: высота - 3 см; диаметр-3 см; количество витков - 100; постоянная катушки- 3300 1/м; индуктивность Ь=0,00029Гн; активное сопротивление RK =0,55 Ом Оценим напряженность магнитного поля, создаваемого катушкой. Для этого определим ток, проходящий через катушку, с учетом того, что конденсаторы заряжаются до напряжения 250 В. Прямое сопротивление элемента VD, выполненное в виде 2-х параллельно включенных диодов, составило Кд=1,6 Ом, а обратное сопротивление около - 150 кОм, Применение диода практически исключало появление обратного тока.
Программы анализа напряжений
В настоящее время целесообразно для измерений использовать компьютер, который с высокой скоростью и точностью может запоминать и обрабатывать огромное количество данных в реальном масштабе времени. Данные, записанные в компьютере, легко поддаются построению с одновременным отображением на дисплее состояния исследуемого объекта.
Это значительно повышает производительность и расширяет возможности исследований. Пакет программ Lab VIEW, используемый в данном исследовании и разработанный нами , включает в себя библиотеки драйверов, поддерживающих различные устройства (АЦП, ЦАП, мультиметры и др.), которые подключаются к компьютеру через стандартные порты сопряжения. Кроме значительного увеличения производительности труда при сборе данных LabVIEW предоставляет возможность цифровой обработки сигналов, что позволяет отделить полезный сигнал от помех. При применении обычной аппаратуры пришлось бы вручную производить усреднения.
Таким образом, одной из задач явилось внедрение компьютерных технологий в процесс контроля ферромагаитных материалов. Так как магнитоупругий эффект является эффектом второго порядка малости, то применение обычной аппаратуры не в состоянии полностью отобразить его особенности.
Для использования аппаратуры и программы LabVIEW для одновременного измерения величины поля и механических напряжений необходимо было оценить параметры измеряемых сигналов, которые способна измерять плата PCI-MICM6E-1, и разработать соответствующую программу анализа.
Данная плата позволяет конфигурировать аналоговые входные каналы как однопроводные и как дифференциапьные.В распоряжении исследования находилось 16 однопроводных или 8 дифференциальных каналов. Тип АЦП, последовательная аппроксимация, разрешение 12 бит.Максимальная частота взятия отсчетов (Sample)... 1,25 MS/сек. Минимальный диапазон измеряемых платой напряжений составляет ±50 мВ, а максимальный сигнал на тензорезисторе - ±6,23 мВ. Отсюда следует, что сигнал перед подачей на АЦП необходимо усилить минимум в 15-20 раз.
Для усиления сигнала использовались операционные усилители серии К140. Наиболее оптимальный коэффициент усиления одного каскада равен 10. С учетом вышесказанного и для уменьшения погрешности сигнал с тензодатчика усиливался в 100 раз с помощью двухкаскадного усилителя. Данная программа состоит из двух блоков: блока измерения-записи и блока чтения-отображения. Программа работает по следующей схеме. При исследовании влияния механических напряжений на магнитные свойства металла цикл работ ведется в квазистатическом режиме, т.е. измерение всех параметров идет по постоянному току (статика), но они меняются во времени (динамика). Поэтому для уменьшения влияния случайных помех проводилось несколько измерений одной величины, а затем они усреднялись. Количество измерений задается в окне «Number of cycles». В окне «Resist. Of Gauge» задается начальное сопротивление тензорезистора. В окне «Voltage on Gauge» — канал, по которому измеряется базовое напряжение на тензодатчике (нулевое напряжение; выход). В окне «Volt, of stretching» — канал, соответствующий выходу усилителя, по которому измеряется приращение напряжения на тензорезисторе. В окне «Intensity of MF» задается канал, по которому измеряют напряженность магнитного поля. В окне «AMPLIFIER» указывается коэффициент усиления тензоусилителя. В окне «Sesit. of Gauge» задается коэффициент тензочувствительности тензорезистора. В окне «Module of Elasticity» задают модуль упругости Юнга в МПа. Окно «Balance» служит для отображения текущего напряжения на выходе усилителя. С его помощью устанавливают на нуль сам усилитель и балансируют на нуль тензодатчик при отсутствии нагрузки.
В панели «Data Acquisition» кроме количества циклов измерения отображается текущее механическое напряжение ст в МПа (окно «Mechanical Stretching»). Указывается путь для записи файла обмена, который содержит данные зависимости напряженности магнитного поля от прикладываемого напряжения (окно «WRITE Data in Swap»). Кнопка «Acquire once» служит для записи точки в своп-файл, кнопка «New Swap file» - для замены текущего своп-файла. Панель «Build Diagram» содержит путь своп-файла, из которого будут отображаться данные при запуске программы. При запуске программы начинает работать блок отображения информации. Здесь происходит чтение данных из своп-файла и вывод их на экран.
Одновременно с этим происходит чтение и усреднение значений в канале тензоусилителя «Voltageinc» (в модуле «Zero Amp]») и в канале нулевого напряжения тензодатчика «VoltageBas» (в модуле «Read mean Data 1»), Далее по известным данным коэффициент усиления, сопротивления тензорезистора, модуля упругости и коэффициента тензочувствительности в модуле «Transl Stress» по формулам 2.4 — 2.5 производится преобразование измеренных напряжений в механическое напряжение а и вывод значения в соответствующее окно в панели «Data Acquisition». Для записи точки необходимо нажать кнопку «Acquire Once». После этого блок вывода информации перестает функционировать, а блок записи, наоборот, начинает работать. В блоке записи производится чтение, усреднение и преобразование значений из канала магнитометра. Далее производится объединение соответствующих значений механического напряжения и напряженности магнитного поля и запись их в своп-файл в текстовом режиме. Затем блок записи перестает функционировать, а блок отображения начинает работать, отображая вновь собранные данные.
Блок-схема установки с использованием ЭВМ в качестве инструмента измерения показана на рис.2.4. В ЭВМ информация о напряженности магнитного поля поступала от датчиков (2), прикрепленных к образцу (1), на магнитометр (4), а затем подавалась на ЭВМ (10) через встраиваемый аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Параллельно индикация величины поля и ее запись в реальном времени могла осуществляться с помощью электронного самописца например, АРРА 107. От тензомоста (8) разрывной машины Р50 (9) сигнал, пропорциональный величине механических напряжений, подавался на другой канал АЦП и затем в ЭВМ.
Использование аппаратуры и программы LabVIEW для одновременного измерения величины поля и механических напряжений позволяло фиксировать массив данных и визуально отслеживать построение графиков исследуемой зависимости. При использовании схемы нагружения, представленной нарис 2.1, сигнал о напряжениях, испытываемых образцом, снимался с помощью наклеенного на образец тензодатчика, встроенного в тензомост, и подавался в соответствующий канал АЦП, а затем в ЭВМ. Напряженность магнитного поля преобразовывалась в электрический сигнал с помощью феррозонда, вмонтированного в намагничивающую катушку, и магнитометра, сигнал которого следовал на соответствующий канал АЦП. Заключение по главе 2.
1.Разработана и изготовлена аппаратура для создания и одновременного измерения механических напряжений с помощью тензодатчика и тензомоста, импульсного намагничивания и измерения напряженности магнитного поля с помощью феррозондового магнитометра в образцах выбранных сталей.
2.Собран двухпараметровый программно-аппаратный модуль на базе пакета программ LabVIEW для автоматизированного (с одновременным усреднением) измерения напряженности магнитного поля и деформации образца, передачи информации в ЭВМ и первичной обработки результатов, полученных при исследовании магнитоупругих явлений.
Проверка экспоненциальной зависимости
В работе [102] были проведены исследования на стандартных образцах для механических испытаний с длиной рабочей части 10 мм, изготовленной из стали 20Н2М бывшей в эксплуатации насосной штанги. Статическое нагружение осуществлялось на разрывной машине Р50. Нормальная составляющая магнитного поля остаточно намагниченного образца вблизи его конца измерялась холл овс ким датчиком и магнитометром. Тангенциальная составляющая поля остаточно намагниченного образца измерялась с помощью феррозондовых датчиков, помещенных вплотную к поверхности образца на его середине, и магнитометром. Образцы намагничивались (полностью или локально) в полях, обеспечивающих их насыщение, с помощью соленоида или постоянного магнита. После снятия намагничивающего поля измерялась нормальная Ноп или тангенциальная составляющая Нт0 поля остаточно намагниченного образца. Затем образец статически нагружался, и измерялась нормальная Нпа или тангенциальная составляющая поля под нагрузкой Нто. Было установлено, что на образцах, изготовленных из материалов в состоянии поставки, Нпа и Hw убывают с ростом растягивающих напряжений, а после пластической деформации (за счет влияния лабораторного поля) заходят в область небольших отрицательных значений.
Предел выносливости стали связан с напряжениями, при которых начинают осуществляться микропластические деформации. С ними же в работах [31, 52, 102] связывают начало роста магнитострикции, минимум изменения Нх и др. Кроме того, было установлено, что зависимость 1пНт от прикладываемых напряжений может быть аппроксимирована двумя прямыми, имеющими различный наклон и пересекающимися при определенном напряжении. В работе [102] показано также, что величина этого напряжения практически совпадает с пределом пропорциональности, установленным по зависимости деформации от величины механических напряжений. Таким образом, утверждается, что существуют магнитные параметры, несущие информацию о величине внешних напряжений, при которых начинается микропластическая деформация. Прямыми измерениями предела выносливости ускоренным методом Локкати [105, 108] и магнитоупругими методами [102] по точке пересечения аппроксимированных прямых зависимости 1пН(о) показали, что существует корреляционная зависимость между этими напряжениями и пределом выносливости. Благодаря этому открывается возможность определения предела выносливости ускоренным магнитоупругим неразрушаю щим методом по измерению Нт и Нп, Это позволило авторам запатентовать данный метод [102].
Трубная сталь в процессе своей работы также испытывает циклически повторяющиеся напряжения, и в ней происходят усталостные разрушения, которые накладывают свой предел на срок безаварийной эксплуатации трубопровода. Поэтому определению усталостных свойств металла трубопровода начинают уделять все большее внимание [103, 104].
Одной из задач предлагаемой работы явилось исследование возможности применения установленного на стали 20Н2М магнитоупругого метода определения предела усталости для трубных сталей 09Г2С и 17Г1С.
Действительно, приведенные на рис. 3.7-3.9 зависимости 1пН(с) могут быть аппроксимированы, по крайней мере, двумя прямыми, имеющими разный наклон и поэтому пересекающимися при определенном значении ок. Таким образом, первое необходимое условие для реализации магнитоупругого метода, а именно, наличие пересекающихся аппроксимирующих прямых, на трубных сталях реализуется. По графикам (рис.3.7-3.9) были найдены значения ок. Они составили для стали 17Г1С 132МПа и 152 МПа для сжатия и растяжения соответственно, для стали 09Г2С ск=152 МПа. По литературным данным [ЮЗ] значение предела выносливости Ой для термически обработанной на двухфазную структуру стали 09Г2С составило на базе 6 106 циклов 230 МПа, а для стали 17Г2С -190МПа. Ввиду большой вязкости рассматриваемых сталей прямого совпадения, возможно, не будет, но следует ожидать корреляционных связей между ск и с.1, как это следует из литературных данных [105].
Большое преимущество магнитоупругого метода заключается в отсутствии необходимости вырезки из металла образцов, так как метод допускает контроль значения ак прямо на конструкции путем ее локального намагничивания и последующего нагружения.
Магнитоупругий метод диагностирования развития трещин В процессе эксплуатации металла в нем развиваются имеющиеся и нарождающиеся трещины. Знание динамики их развития позволит более точно оценивать ресурс безопасной эксплуатации.
Предлагаемое исследование ставит своей целью разработку нового метода экспериментального определения скорости роста трещин, датчиков и аппаратуры для реализации метода.
Природа разрушения определяется прогрессирующим развитием трещины, вблизи вершины которой напряжения оказываются повышенными. Концентрация напряжений такова, что с ними связана очень большая деформация (в том числе и пластическая) в объеме материала, прилегающего к вершине раскрытой трещины.
При определенных сочетаниях деформации и напряжения возникает катастрофический рост трещин. Скорость роста трещины усиливается при повторно-переменных нагрузках (усталостное разрушение).
Зависимость необратимого изменения напряженности поля локальной намагниченности от величины механических напряжений и уровня начальной нагрузки (режим уменьшения нагрузки).
В этом режиме вначале создается постоянная нагрузка, осуществляется локальное намагничивание, производится измерение начального значения напряженности магнитного поля. Затем следует плавное уменьшение нагрузки (разгружение) и ее восстановление при одновременной записи сигнала магнитометра.
Результаты исследования представлены на рис.4.9 — 4.16. На графиках показана зависимость величины магнитного поля от изменения дозированной нагрузки, но уже по сравнению с графиками рис. 4.1 — 4.8 процесс измерения осуществляется в обратном порядке, т.е. при разгружении. Как видно из (рис.4.9), сразу после намагничивания значение напряженности магнитного поля у стали 09Г2С составило 269 А/м при нагрузке 400 МГТа. Разгружение до 350 МГТа (дозированный шаг 50 МГТа) приводит к нелинейному уменьшению величины поля до 261 А/м. Возврат к прежней нагрузке 400 МПа мало изменяет величину магнитного поля (до 260А/м). Далее по процедуре измерения следовало разгружение до 350 МПа, намагничивание и новое разгружение до 300 МПа. Последующие аналогичные циклы разгружения — нагружения по характеру изменения Н(Дс) качественно похожи на предыдущие, но количественно существенно отличаются тем, что с уменьшением уровня постоянного (базового) напряжения увеличивается абсолютная величина изменения напряженности поля при одинаковой амплитуде (50 МПа) разгружении - нагружений. Увеличение амплитуды вариации нагрузки до 100 МПа качественно не сказывается на характере изменения поля, но существенно влияет на масштаб такого изменения. Так, из рис. 4.10 видно, что при амплитуде вариации в 100 МПа изменение напряженности поля заметно больше , чем при 50 МПа.
Увеличение амплитуды изменяемой нагрузки до 150 МПа также не приводит к качественному изменению характера зависимости Н(До), только в большей мере увеличивает амплитуду изменения поля (рис.4Л 1) и подчеркивает нелинейный характер убыли поля.
Зависимость магнитоупругого размагничивания стали 17Г1С от величины постоянного механического напряжения при снятии сжимающей или растягивающей нагрузки представлена на рис. 4.12-4.16. Обращает на себя внимание то, что по сравнению с аналогичными кривыми для стали 09Г2С зависимость ДН(Да) приближается к прямой. Особенно это заметно на рис. 4.12, 4.15, и 4.16. Из рисунков также отчетливо видно, что чем меньше величина базовой нагрузки, тем больше убыль напряженности магнитного поля. Причем эта закономерность прослеживается как при растяжении, так и при сжатии при трех уровнях изменяемой нагрузки. Монотонный характер необратимого изменения напряженности поля локальной намагниченности у такого существенно нелинейного материала, как ферромагнетик, является достаточно примечательным явлением, достойным подробного изучения.
Что касается пьезоэффекта остаточно намагниченного состояния, то он заметно проявляется при обратном изменении силового воздействия, т.е. при разгружении. Если при нагружении (рис.4.1—4.8) напряженность поля в процессе разгружения оставалась практически неизменной, то при разгружении образца из стали 09Г2С (рис. 4.10) ее нельзя не заметить. В частности, из рис. 4.9-4.10 можно видеть, что если при больших исходных нагрузках величина поля ЩДа) при возврате к базовой нагрузке сравнительно мало изменяется, то при малых нагрузках наблюдается довольно существенное увеличение напряженности поля. Это говорит о проявлении при небольших базовых нагрузках положительного пьезомагнитного эффекта остаточно намагниченного магнетика. На стали 17Г1С он практически отсутствует.
То же, что на рис. 4.12, для диапазона разгружения от 0 до 150 МПа. Монотонное и достаточно большое необратимое уменьшение магнитного поля в результате действия изменяемой разгрузки и возврат к исходной нагрузке может представлять как научный, так и практический интерес для целей измерения механических напряжений в режиме запоминания. Во-первых, обратим вначале внимание на зависимость необратимого изменения магнитного поля после разгрузки и возврат к исходной нагрузке. В этом случае практически полностью снимается вклад квазиобратимой компоненты пьезомагнитного эффекта. Во-вторых, проведем количественный анализ величины необратимого размагничивания (ДН) в зависимости от величины постоянной и изменяемой нагрузки и вида материала. На рис.4.17 и 4.18 показана зависимость изменения величины поля ДН остаточно намагниченного участка ферромагнетика от величины базовой нагрузки при вариациях 50, 100,150 МПа на стали 09Г2С при сжатии и растяжении, а на рис. 4.19 представлены аналогичные зависимости для стали 17Г1С. Из этих рисунков видно, что величина необратимого изменения напряженности поля ДН или эффекта магнитоупругой памяти при разгружении монотонно растет с уменьшением постоянной нагрузки. Причина кроется, по-видимому, в неодинаковом относительном силовом воздействии. Так, если исходная нагрузка 400МПа, а изменяемая 50 МПа, то ее доля составляет 12,5%. При базовой нагрузке в 50 МПа это отношение уже составит 100%.
Приведем некоторые соображения о природе наблюдаемых явлений. При приложении напряжений создается текстура магнитных доменов, которую разрушить тем сложнее, чем больше базовое напряжение, т.е, чем меньше относительная величина вариативной нагрузки.
У ферромагнетика несомненно должен проявится нелинейный характер протекания магнитных процессов, который для магнитоупругих явлений может быть описан экспоненциальной зависимостью [35].
