Исследование применимости метода магнитной памяти металла при оценке остаточного ресурса металлоконструкций грузоподъемных машин

УДК 621.873

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИМЕНИМОСТИ МЕТОДА МАГНИТНОЙ ПАМЯТИ МЕТАЛЛА ПРИ ОЦЕНКЕ

ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН

Д. А. Романов, В.Ю. Анцев, А.С. Толоконников

Представлены результаты проведенного эксперимента на многоцикловую усталость. Проанализировано изменение магнитного показателя металлоконструкции, работающей в области многоцикловой усталости. Выявлена закономерность изменения магнитного показателя в зависимости от ресурса объекта.

Ключевые слова: метод магнитной памяти металла, многоцикловая усталость.

С целью продления срока безопасной эксплуатации объектов, отработавших нормативный срок службы, применяются различные методы не-разрушающего контроля (НК), а также расчет остаточного ресурса [1, 2]. Одним из перспективных способов оценки поврежденности стальных конструкций и оценки остаточного ресурса является использование метода магнитной памяти металла [3].

Метод магнитной памяти металла (МПМ) - метод неразрушающего контроля, основанный на регистрации и анализе распределения собственных магнитных полей рассеяния на поверхности изделий с целью определения зон концентрации напряжений, дефектов, неоднородности структуры металла и сварных соединений.

Основные преимущества метода по сравнению с известными магнитными и другими методами НК: применение метода не требует специальных намагничивающих устройств; места концентрации напряжений от рабочих нагрузок определяются в процессе их контроля; подготовки контролируемой поверхности не требуется; при контроле используются приборы с малыми габаритами и автономным питанием; специальные сканирующие устройства позволяют проводить контроль со скоростью более 100 м/ч; возможность произвести расчет остаточного ресурса металлоконструкции объекта.

К недостаткам данного метода можно отнести невысокую точность обнаружения месторасположения дефекта и проблему классификации дефекта. Основная задача метода - определение на объекте контроля наиболее опасных участков, характеризующихся зонами концентрации напряжений. Далее с использованием, например, ультразвуковой дефектоскопии в зонах концентрации напряжений определяется наличие конкретного дефекта. Метод МПМ является наиболее пригодным для практики методом НК при оценке фактического напряженно-деформированного состояния,

позволяет выполнить интегральную оценку состояния узла с учетом качества металла, фактических условий эксплуатации и его конструктивных особенностей.

В настоящее время методом магнитной памяти металла производится расчет остаточного ресурса объектов, работающих в области малоцикловой усталости, например, нефте- и газопроводов. С целью изучения возможности применения данного метода к конструкциям, работающим в области многоцикловой усталости (например, грузоподъемные машины), необходимо провести дополнительные исследования по выявлению взаимосвязи между накопленным повреждением металла и собственными магнитными полями рассеивания, так как анализ существующих источников литературы не подтвердил наличие такой информации. Таким образом, цель работы заключается в исследовании возможности применения метода МПМ для оценки остаточного ресурса несущих металлоконструкций грузоподъемных машин (ГПМ).

Экспериментальное исследование указанной взаимосвязи проводилось на образцах с надрезом (рис. 1), выполненных из стали СтЗпс ГОСТ 380-2005 [4-6]. Испытания проводились на испытательной машине Р-20 с пульсатором.

Рис. 1. Чертеж испытываемого образца

Нагрузки, прикладываемые к образцам в процессе испытания, соответствовали расчетным нагрузкам, вызывающим нормальные напряжения в нижнем поясе середины пролета главной балки мостового крана грузоподъемностью 20/5 т, пролетом 22,5 м, режима работы А5 (одним из наиболее распространенных типоразмеров), для комбинации нагрузок 1а (нормальные нагрузки рабочего состояния). Расчетный коэффициент асимметрии цикла для данного типоразмера мостового крана составил Д=0,3084.

Для оценки изменения напряженности магнитного поля образца применялся индикатор концентрации напряжений ИКН 2М-8, представляющий собой систему измерения, регистрации и обработки данных диагностики напряжённо-деформированного состояния оборудования и конструкций с использованием метода магнитной памяти металла.

Приборы типа ИКН по принципу работы являются специализированными многоканальными феррозондовыми магнитометрами. Напряженность магнитного поля Нр на шкалах приборов проградуирована в А/м.

Длина регистрируемого перемещения датчика проградуирована в мм.

При проведении контроля методом МПМ с использованием четырех феррозондовых датчиков напряженность магнитного поля Нр измеряется одновременно по двум взаимно перпендикулярным направлениям каждым датчиком:

- продольная (тангенциальная) составляющая магнитного поля Нр

(вдоль сварного шва в направлении сканирования датчиком); на магнитограмме для каждого из четырех датчиков обозначается как Нр-1, Нр-3,

Нр-5, Нр-7.

- нормальная составляющая магнитного поля Нр (перпендикулярно вверх от сварного шва); на магнитограмме обозначается как Нр -2, Нр -4, Нр-6, Нр-8.

Прибором типа ИКН измеряют нормальную и тангенциальную составляющую магнитного поля рассеяния Нр на поверхности объекта контроля непрерывным или точечным сканированием датчиком прибора, при этом на поверхности объекта контроля определяют зоны с экстремальными изменениями поля Нр и линии с нулевым значением поля Нр

(Нр = 0). Эти зоны и линии соответствуют зонам концентрации остаточных напряжений. Для количественной оценки уровня концентрации остаточных напряжений определяют коэффициент интенсивности Кин, А/м ,

/ Ь

х-

изменения магнитного поля (градиент) Нр по формуле Кин = АНр где АНр - разность поля Нр между двумя точками контроля; Ьх - расстояние между точками контроля. Результаты контроля записывают в блок памяти прибора и затем, используя программный продукт «Программа обработки результатов контроля по методу магнитной памяти. Версия 3.0» [3], определяют зоны концентрации напряжений с максимальным значением градиентов Кинах и считывают среднее значение градиентов для всех зон концентрации напряжений, выявленных на объекте контроля. По-

сле определения значений градиентов и Кинах, выявленных при контроле, выделяют зоны концентрации напряжений с самым большим значе-

П у П у , Л1Л

нием Кин и вычисляют отношение т = Кин / Кин, где т - магнитный показатель, характеризующий текущее деформационное состояние металла. Если т превышает предельное значение тпр, то делается вывод о предельном состоянии металла, предшествующем повреждению объекта контроля. Магнитный показатель тпр характеризует деформационную способность металла на стадии упрочнения перед разрушением и определяется в лабораторных и промышленных условиях.

При проведении эксперимента поверхность образцов подвергалась последовательному сканированию прибором ИКН 2М-8 через каждые 5 тысяч циклов. С целью повышения точности замера сканирование образцов производилось по 5 раз. Результаты сканирования программным комплексом «Программа обработки результатов контроля по методу магнитной памяти. Версия 3.0» представляются в виде магнитограмм. Измеряемая напряженность магнитного поля показывается в виде четырех пар (нормальных и тангенциальных составляющих поля Нр ) линий в верхней

части магнитограмм. Текущее значение напряженности каждого канала измерений можно увидеть по ординате, расположенной в левой части магнитограммы. В нижней части магнитограмм отображаются градиенты на-

пряженностей полей. Горизонтальной линией обозначается (среднее значение градиентов магнитных полей). Текущее значение градиента по каждому каналу измерений можно увидеть по ординате, расположенной в правой части магнитограммы. По оси абсцисс на каждой магнитограмме отображается проконтролированное расстояние в мм.

На рис. 2 представлена магнитограмма образца до наложения нагрузок. Здесь можно заметить равномерное незначительное синусоидальное распределение значений магнитных полей нормальной составляющей поля Нр по четырем датчикам. Тангенциальная составляющая поля Нр

практически не изменяется, что соответствует состоянию нового металла после проката. Значение магнитного показателя т = 2,0. Также на рис. 2 обозначены все представленные линии напряженности магнитных полей и их градиенты. Далее на последующих магнитограммах будут обозначены только те поля, на которых происходят значительные изменения, влияющие на значение магнитного показателя.

На рис. 3 представлена магнитограмма при достижении 10 тыс. циклов нагружения. На ней прослеживается изменение значений магнитных полей к линейному виду, т. е. происходит выравнивание магнитных полей вследствие предшествующих растягивающих нагрузок. Резкий скачок значения напряженности нормальной составляющей магнитного поля

Нр-4 и возрастание значения градиента с!Нр-4/с1х свидетельствуют о зарождении зоны концентрации напряжений. Значение магнитного показателя т - 3,5.

На рис. 4 представлена магнитограмма при достижении 45 тыс. циклов нагружения. На ней прослеживается дальнейшее увеличение значения напряженности нормальной составляющей магнитного поля Нр -4 и

градиента сШр-4/с1х, что соответствует расширению зоны концентрации

напряжений, а также возможному зарождению дефекта в виде микротрещины. Значение магнитного показателя т- 3,5.

Рис. 2. Исходная магнитограмма участка образца

На рис. 5 представлена магнитограмма после 95 тыс. циклов нагружения при визуальном обнаружении дефекта в виде трещины. На ней заметно изменение значений полей по трем каналам Нр-3, Нр-4, Нр-6, а

так же их градиентов <Шр-3/с1х, с1Нр-4/с1х, <ЗНр -6/с!х. Здесь максимального значения достигает градиент <ЗНр -4/(}х поля канала Нр -4. Значения градиентов с!Нр-3/(1х, с1Нр-6/с1х каналов Нр-3 и Нр-6 также увеличились, что позволяет сделать вывод об увеличении зоны концентрации напряжений. Значение магнитного показателя т = 7,17.

49

100 105 110 115 120 125 130 1 35 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 220 225 230 235 240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300

— Нр-1

— сИ1Лк

-Нр-2 <Н2Мк

— НрЗ

— <НЗЛк

— Нр4

— <Н4/<1к

— Нр-5

— <Н5Л1к

— Нр-е «нош

-Нр-7 <Н?Мк

— Нр8

—

Рис. 3. Магнитограмма участка образца после 10 тыс. циклов

100 105 110 115 120 125 1 30 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 220 225 230 235 240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300

1х,Ъ1М

— Нр-1

- «НШ<

— Нр-2 сН2 М<

— Нр-3

- .НЭ/ск

— Нр-4

- ла/ск

— Нр-5

- (Н5/с1< -Нр-6

- (Нб.Мч

— Нр-7

- <НШ<

— Нр-е

- (Н3/с1ч

Рис. 4. Магнитограмма участка образца после 45 тыс. циклов

На рис. 6 представлены значения магнитного показателя, полученные при последовательном сканировании образца в интервале от 0 до 95 тыс. циклов нагружения. На рис. 6 также показано уравнение аппроксимирующей линии среднего значения т на протяжении всего испытания образца. Из рис. 6 видно, что в процессе проведения эксперимента происходит приработка образца, заметная в изменении значения т от 2 до 3,5 на протяжении первых 10 тыс. циклов нагружения, что обусловлено ростом зоны пластической деформации. На участке от 10 до 70 тыс. циклов нагружения не происходит роста значения магнитного показателя, а проис-

ходит незначительное синусоидальное изменение, обусловленное изменением магнитного поля металлоконструкции в пределах нормативного срока эксплуатации. На протяжении последнего участка с 70 тыс. циклов на-гружения до зарождения дефекта в виде трещины (95 тыс. циклов нагру-жения) заметно постепенное увеличение т до значения 7,17, обусловленное увеличением количества микродефектов, ростом зоны деформации и переходом данных микродефектов в макродефект в виде усталостной трещины.

Рис. 5. Магнитограмма участка образца после 95 тыс. циклов

у = — Е-0" 7.x4 + 9Ё- 05дН -0,1 1)071 X1 + 0,11) 46л + 2,0871 №

*

:

:

1 1 »« к <

I — 3 Г ""1 — — .. »  ' — ^ 1—

А _ 1

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Количество циклов, тыс

— • Аппроксимация среднего значения магнитного показателя

Рис. 6. Распределение значений магнитного показателя

51

Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что метод магнитной памяти металла фиксирует изменение значений магнитного показателя пропорционально отработанному ресурсу объекта обследования, особенно характерно его изменение на начальном и завершающем этапе (порядка 20 % ресурса до зарождения макротрещины). При этом в зависимости от расходования ресурса металлоконструкции происходит изменение т в диапазоне от 2 до 7,17 от участка приработки до разрушения. Это дает возможность использовать данный метод для оценки остаточного ресурса при многоцикловой усталости и для составления необходимой методики отслеживания значения магнитного показателя, представляющей данные об удовлетворительном (неудовлетворительном) состоянии металлоконструкции.

Список литературы

1. Селиверстов Г.В., Анцев В.Ю., Вобликова Ю.О. Построение оптимального алгоритма диагностирования крановых металлоконструкций // Строительные и дорожные машины. 2013. № 7. С. 23.

2. Анцев В.Ю., Толоконников А.С., Горынин А.Д. Автоматизация расчета рисков возникновения отказов грузоподъемных кранов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. Вып. 7. Ч. 1. С. 214-220.

3. Дубов А. А., Дубов Ал. А., Колокольников С.М. Метод магнитной памяти металла и приборы контроля: учеб. пособие. М.: Спектр, 2012. 395 с.

4. Романов Д.А., Анцев В.Ю., Толоконников А.С. Адаптация метода магнитной памяти металла к применению в диагностике и расчете остаточного ресурса металлоконструкций ГПМ // Инновации, качество и сервис в технике и технологиях: сб. научных трудов в 3 т. Курск, 2014. С. 122-124.

5. Романов Д. А., Анцев В.Ю., Толоконников А.С. Разработка методики диагностики и расчета остаточного ресурса металлоконструкций грузоподъемных машин методом магнитной памяти металла // Материалы Международной научно-технической конференции. Интерстроймех 2014. Самара, 2014. С. 246-249.

6. Анцев В.Ю., Толоконников А.С., Романов Д.А. Исследование закономерности распределения значений магнитного показателя при статическом растяжении образцов из стали Ст3 // Механика и физика процессов на поверхности и в контакте твердых тел, деталей технологического и энергетического оборудования. 2014. № 7. С. 113-117.

Романов Дмитрий Андреевич, асп., milan_romanoff@,mail.т, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Анцев Виталий Юрьевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, an-zev@tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Толоконников Александр Сергеевич, канд. техн. наук, доц., tolokonnikov@Mst.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE APPLICABILITY OF THE METHOD OF MAGNETIC MEMORY OF METAL IN ESTIMATING OF THE REMAINDER RESOURCE OF METAL LIFTING MACHINES

D.A. Romanov, V.U. Antsev, A.S. Tolokonnikov

The results of the experiment on multicyclic fatigue are given. The change of the magnetic indicator of the metall in the field in multicyclic fatigue is analyzed. The regularities of changes in the magnetic-index depending on the resource of the object are revealed.

Key words: method of magnetic memory of metal, multicyclic fatigue.

Romanov Dmitry Andreevich, postgraduate, milan romanoff@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Antsev Vitaliy Yurievich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, an-zev@,tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Tolokonnikov Alexander Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, tolo-konnokov@list.ru, Russia, Tula, Tula State University