СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ МАГНИТНЫМ МЕТОДОМ КОНТРОЛЯ
METHOD FOR DETERMINING MECHANICAL STRESSES IN STEEL STRUCTURES BY MAGNETIC CONTROL METHOD

Изобретение относится к области оценки технического состояния металлоконструкций и может быть использовано для определения действующих механических напряжений в конструкциях, где направление действия напряжений заведомо не известны, например в стальных несущих металлоконструкциях наземной космической инфраструктуры.
Известен способ использования коэрцитивной силы в качестве индикаторного параметра при неразрушающем контроле механических напряжений. В данном способе коэрцитиметр КИФМ-1 применяется для измерения механических напряжений в сварных корпусах и торцевых крышках электрических машин (материал - Ст3) (С.А. Мусихин, В.Ф. Новиков, Н.В. Борисенко. Об использовании коэрцитивной силы в качестве индикаторного параметра при неразрушающем контроле механических напряжений. // Дефектоскопия - 1987. - №9. - с. 57-59).
Недостатком способа является отсутствие информации об использовании полученной с помощью образцов зависимости значений коэрцитивной силы от действующих напряжений на реальных объектах, т.е. о месте и направлении контроля на объекте исследования.
Известен способ определения напряженного состояния стальных конструкций, в котором растягивают образец материала, вырезанного из материала, аналогичного материалу конструкции, в процессе растяжения измеряют коэрцитивную силу. Получают зависимость коэрцитивной силы от приложенного напряжения для данного материала. Затем проводят измерения коэрцитивной силы металла конструкции и определяют напряженное состояние с помощью полученной зависимости (В.Ф. Мужицкий, Б.Е. Попов, Г.Я. Безлюдько. Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса стальных металлоконструкций подъемных сооружений и сосудов, работающих под давлением. // Дефектоскопия. - 2001. - №1. - с. 38-46).
Недостатком способа является большая погрешность определения напряженного состояния, обусловленная разницей начальной (без нагрузки) коэрцитивной силы металла образца и исследуемой конструкции.
Известен способ определения механических напряжений в стальных конструкциях, в которм изготавливают образцы из материала, аналогичного материалу конструкции, которые подвергают деформационному старению различной степени, определяют анизотропию коэрцитивной силы металла образцов как разность значений коэрцитивной силы, измеренных поперек и вдоль прилагаемой нагрузки, от величины напряжений в образце, растягивают образцы, строят зависимости значений анизотропии коэрцитивной силы от приложенных напряжений для образцов, аппроксимируют полученные зависимости прямыми и строят график зависимости углового коэффициента прямых от коэрцитивной силы образца, измеренной вдоль прикладываемой нагрузки, измеряют коэрцитивную силу металла конструкции вдоль и поперек действия напряжений. По значению коэрцитивной силы, измеренной вдоль действия напряжений, определяют угловой коэффициент прямой, соответствующей текущему состоянию металла конструкции. Вычисляют анизотропию коэрцитивной силы, по величине которой определяют механические напряжения в стальной конструкции (Патент РФ №2281468, МПК G01L 1/12, G01N 27/83. Опубл. 10.08.2006).
Недостатком способа является отсутствие достоверной информации о направлении действующих напряжений на контролируемом участке объекта исследования, которые не всегда совпадают с геометрическими осями металлоконструкции.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ определения механических напряжений в конструкции, взятый нами в качестве прототипа. В известном способе изготавливают образец из материала, аналогичного материалу конструкции, растягивают образец и в процессе растяжения измеряют анизотропию коэрцитивной силы, определяемую как разность значений коэрцитивной силы, измеренных поперек и вдоль прилагаемой нагрузки, получают зависимость анизотропии коэрцитивной силы от величины напряжений в образце, далее измеряют анизотропию коэрцитивной силы металла конструкции и определяют величину напряжения с помощью полученной зависимости (В.Л. Свирюк, И.В. Грамотник, А.Н. Безруков, О.В. Проровская. Оценка состояния металла кожухов доменных печей и воздухонагревателей методом неразрушающего контроля. // Дефектоскопия. - 2003. - №9. - С. 37-43).
Недостатком данного способа является отсутствие достоверной информации о направлении действующих напряжений на контролируемом участке объекта исследования. На практике нередки случаи, в которых направление напряжений не является очевидным при диагностике металлоконструкций. В данном способе применяют коэрцитивную силу как диагностический признак. И именно значения коэрцитивной силы напрямую зависят от ориентации приставного магнитного устройства относительно линии напряжений во время замера. Необоснованные направления измерений коэрцитивной силы снижают точность полученных результатов о техническом состоянии конструкционного металла.
Задачей изобретения является создание способа определения механических напряжений, при котором техническим результатом будет являться повышение точности определения механических напряжений за счет учета направления действий механических напряжений в металле без применения дополнительного оборудования.
Этот технический результат в способе определения механических напряжений стальных конструкций, заключающийся в том, что изготавливают образец из материала, аналогичного материалу конструкции, растягивают образец, получают зависимости анизотропии коэрцитивной силы, определяемой как разность значений коэрцитивной силы, измеренных поперек и вдоль прилагаемой нагрузки, от величины напряжений в образце, измеряют анизотропию коэрцитивной силы металла конструкции, определяют величину напряжения с помощью полученной зависимости, согласно изобретению, достигается тем, что в первую очередь определяют действительное направление напряжений в точке контроля конструкции, для этого измеряют значение коэрцитивной силы в данной точке контроля не менее 8 раз в разных направлениях, при этом изменяют каждый раз угол ориентации приставного магнитного устройства не более чем на 45° от предыдущего положения, поворачивая его вокруг своей оси, по результатам данных измерений строят круговую диаграмму зависимости значений коэрцитивной силы от угла ориентации приставного магнитного устройства для данной точки, определяют направления экстремальных значений коэрцитивной силы, по ним определяют направление напряжений, при этом направление максимальных значений коэрцитивной силы указывает на направление напряжения сжатия, а минимальных - на растяжения, по экстремальным значениям коэрцитивной силы определяют и значения действующих напряжений в точке контроля конструкции, используя их в ранее полученных для образца зависимостях значений анизотропии коэрцитивной силы от действующих напряжений.
Решение поставленной задачи основано на зависимости коэрцитивной силы от значения параметра кристаллической решетки. Безусловно, на значение коэрцитивной силы,как на комплексную характеристику структуры металла влияют множество факторов, таких как: уровень внутренних микронапряжений, толщина границ зерен, размер зерен, наличие неферромагнитных включений, наличие различных фаз металла и др. Но в рассматриваемом случае при упругих деформациях наиболее значимым фактором является изменение расстояния между узлами (атомами) кристаллической решетки. Так при увеличении этого расстояния влияние магнитного момента одного атома на магнитный момент соседнего уменьшается, что приводит к меньшим затратам энергии на переориентацию магнитного момента системы, а следовательно, и уменьшению значения коэрцитивной силы. При уменьшении параметра кристаллической решетки в процессе перемагничивания необходимо преодолеть и силу обменного взаимодействия между атомами, что потребует больше энергии на данный процесс и неизменно приведет к увеличению значений коэрцитивной силы. В наибольшей степени данные процессы будут проявляться вдоль действительных направлений напряжений в конструкции.
Предлагаемый способ заключается в последовательном выполнении следующих операций:
1. Получение зависимости анизотропии коэрцитивной силы от действующих напряжений, для чего:
- изготавливают образец из материала, аналогичного материалу конструкции;
- растягивают образец и в процессе растяжения измеряют анизотропию коэрцитивной силы, определяемую как разность значений коэрцитивной силы, измеренных поперек и вдоль прилагаемой нагрузки;
- получают зависимость анизотропии коэрцитивной силы от величины напряжений в образце.
2. Определяют действительное направление напряжений в точке контроля конструкции, для чего:
- измеряют значение коэрцитивной силы в точке контроля не менее 8 раз в разных направлениях, при этом изменяют каждый раз угол ориентации приставного магнитного устройства не более чем на 45° от предыдущего положения, поворачивая его вокруг своей оси;
- по полученным значениям строят круговую диаграмму зависимости значений коэрцитивной силы от угла ориентации приставного магнитного устройства для данной точки контроля;
- определяют направления экстремальных значений коэрцитивной силы;
- по направлениям с экстремальными значениями коэрцитивной силы на круговой диаграмме определяют направление напряжений, при этом направление максимальных значений коэрцитивной силы указывает на напряжения сжатия, а минимальных - на растяжения.
3. Определяют значения действующих напряжений, для чего:
- по круговой диаграмме зависимости значений коэрцитивной силы от угла ориентации приставного магнитного устройства определяют максимальное и минимальное значение коэрцитивной силы;
- определяют анизотропию коэрцитивной силы, используя максимальное и минимальное значения коэрцитивной силы;
- определяют значения действующих напряжений в точке контроля используя анизотропию коэрцитивной силы в ранее полученной для образцов зависимости анизотропии коэрцитивной силы от величины напряжений в образце.
Заявленный способ поясняется чертежами:
- на фиг. 1 представлена круговая диаграмма значений коэрцитивной силы в единицах измерения А/м для области растяжения двутавровой балки (профиль №10, сталь 10) при нагрузке на изгиб в упругой зоне деформаций (пунктирной линией объединены точки значений коэрцитивной силы, полученные без нагрузки, сплошной - с нагрузкой);
- на фиг. 2 представлена круговая диаграмма значений коэрцитивной силы в единицах измерения А/м для области сжатия двутавровой балки (профиль №10, сталь 10) при нагрузке на изгиб в упругой зоне деформаций (пунктирной линией объединены точки значений коэрцитивной силы, полученные без нагрузки, сплошной - с нагрузкой).
Использование предлагаемого изобретения позволяет более точно определять значения напряжения стальной конструкции в любой ее точке, учитывая действительное направление напряжений. Определение напряженного состояния, например, объектов наземной космической инфраструктуры, при оценке технического состояния, делает возможным принятие решения о необходимости их реконструкции, усиления или замены, что в целом повышает надежность и безопасность их работы.