СПОСОБ ОПЕРАТИВНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕФЕКТОВ И МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПРОТЯЖЕННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ON-LINE DETECTION METHOD OF DEFECTS AND MECHANICAL STRESSES IN EXTENDED STRUCTURES

Предлагаемое изобретение относится к области магнитной дефектоскопии в промышленности и на транспорте. Может быть использовано при оперативном обнаружении дефектов, избыточных механических напряжений в протяженных конструкциях, изготовленных из однородного ферромагнитного материала, имеющих простую симметричную форму профилей сечений, например, рельсов, металлических профилей, осей, трубопроводов в процессе их эксплуатации.
Известны способы [1, 2, 3] магнитной дефектоскопии, обнаружения избыточных изгибных напряжений и оценки прочности изделий, имеющих простую симметричную форму сечений профилей и изготовленных из однородного ферромагнитного материала. В способах [1, 2, 3] под понятием «неоднородность» подразумевается наличие разрывов (пустот, раковин) в сплошности структуры однородного по химическому составу и физическим свойствам ферромагнитного изделия. К «неоднородностям» такого рода могут быть отнесены зоны сечений в изделии, в которых в процессе эксплуатации возникают напряжения сжатия, растяжения, сдвига, являющиеся предпосылкой разрушения изделия при превышении допустимых значений механических напряжений или вследствие усталости материала. Способы [1, 2, 3] разработаны с учетом взаимозависимости неоднородности материала изделия в его сечении и сопутствующих появлению изменений магнитных свойств объекта наблюдения. В частности, в случае механических напряжений в ферромагнитном материале эта взаимозависимость проявляется в виде эффекта Виллари [4], согласно которому появление или изменение местных напряжений в локальных зонах сечений намагниченных изделий изменяет величину намагниченности материала в этих зонах. В способах [1, 2, 3] осуществляется непосредственное измерение параметров магнитного поля в характерных точках симметрии сечений изделий, таких как магнитная индукция или его напряженность, что при большой протяженности изделий может служить ограничением при их практическом использовании из-за не достаточно высокой скорости измерения параметров магнитного поля.
Предлагаемый способ решает задачу ускоренного обнаружения дефектов, избыточных изгибных напряжений, оценки прочности протяженных изделий в процессе их эксплуатации, изготовленных из однородного ферромагнитного материала и имеющих симметричную форму профилей сечений. Согласно предлагаемому изобретению для этих изделий о наличии дефекта или об изменениях значений местных механических напряжений в зонах сечений судят по непрерывному изменению величин электрических напряжений, полученных от движущихся катушек индуктивности (датчиков) вдоль изделия, установленных в попарно симметричных точках сечения профиля на его границах. При этом изделие предварительно намагничивается с образованием полюсов симметричного магнитного поля на оси симметрии сечения профиля по всей длине объекта наблюдения.
В качестве примера на рис 1. показано сечение рельса. При однородности материала и отсутствии в нем механических напряжений магнитное поле в сечении будет симметрично относительно оси симметрии сечения [5], поэтому индукция магнитного поля в характерных (попарно симметричных точках) будет одной и той же. В случае возникновения дефектов или механических напряжений в сечении изделия симметрия магнитного поля относительно оси симметрии сечения нарушается, и величина индукции в характерных точках сечения будет отличаться друг от друга. При движении датчиков, установленных в характерных точках плоскости сечения протяженного изделия, в катушках индуктивности датчиков, по закону электромагнитной индукции, наводится электродвижущая сила (равная по величине электрическому напряжению на зажимах катушек U), величина которой пропорциональна производной по времени от величины магнитной индукции В в точке установки соответствующего датчика [5]. При движении блока датчиков проводится непрерывное сканирование каждого сечения протяженного изделия в целях обнаружения участков с дефектом или предельных механических напряжений. Например, при изгибе рельса имеем следующие соотношения по абсолютным значениям индукции магнитного поля в характерных точках [2] и соотношения для электрических напряжений в катушках индуктивности датчиков, установленных в этих же точках, рис.1:
1) изгиб рельса в горизонтальной плоскости, слева от оси симметрии сечения рельса материал растянут, справа сжат:
г1
г2
п1
п2
г
г1
г2
п
п1
п2
В>В, В>В или δ=В-В>0, δ=В-В>0,
тогда для электрических напряжений
г
г1
г2
п
п1
п2
Uδ=U-U>0, Uδ=U-U>0;
2) изгиб рельса в горизонтальной плоскости, слева от оси симметрии сечения рельса материал сжат, справа растянут:
г1
г2
п1
п2
г
г1
г2
п
п1
п2
В<В, В<В или δ=В-В<0, δ=В-В<0,
тогда для электрических напряжений
г
г1
г2
п
п1
п2
Uδ=U-U<0, Uδ=U-U<0;
3) изгиб рельса в вертикальной плоскости, материал головки рельса растянут, материал подошвы рельса сжат:
г1
г2
п1
п2
г1
п1
г2
п2
В=В, В=В, В>B, В>В или
1
г1
п1
2
г2
п2
1
2
δ=В-В>0, δ=В-В>0, δ=δ,
тогда для электрических напряжений
1
г1
п1
2
г2
п2
1
2
Uδ=U-U>0, Uδ=U-U>0, Uδ=Uδ;
4) изгиб в вертикальной плоскости, материал головки рельса сжат, материал подошвы рельса растянут:
г1
г2
п1
п2
г1
п1
г2
п2
В=В, В=В, В<В, В<В или
1
г1
п1
2
г2
п2
1
2
δ=В-В<0, δ=В-В<0, δ=δ
тогда для электрических напряжений
1
г1
п1
2
г2
п2
1
2
Uδ=U-U<0, Uδ=U-U<0, Uδ=Uδ.
Здесь введены следующие обозначения:
г1
г2
п1
п2
г1
г2
п1
п2
г
п
1
2
г
п
1
2
величина индукции магнитного поля для симметричной пары точек головки рельса В и В, а также для симметричной пары точек подошвы рельса В и В, где индекс «1» относится к левой части от оси симметрии, индекс «2» - к правой части от оси симметрии; падения напряжения в этих же точках U, U и U, U, а также разность индукций и падений напряжения δ, δ, δ, δ и Uδ, Uδ, Uδ, Uδ соответственно.
Приведенные соотношения справедливы при условии работы однотипных индуктивных датчиков, установленных в одной плоскости сечения изделия на его границе. При этом скорость движения датчиков вдоль протяженного изделия выбирается из условия удовлетворения необходимой чувствительности приборов, снимаемых непрерывное электрическое напряжение с индуктивных датчиков.
По данным датчиков судят о месте дефекта и (или) о механических напряжениях в материале сканируемого изделия.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом: намагничивание исследуемого протяженного изделия (с помощью постоянных магнитов или путем пропускания тока по нему), с целью получения симметричного магнитного поля относительно геометрии профиля, осуществляется с образованием магнитных полюсов на выбранной оси симметрии профиля сечения объекта. В зависимости от вида симметрии картины магнитного поля выбираются характерные точки на границе сечения профиля так, чтобы при однородности материала и отсутствии механических напряжений в нем картина магнитного поля была симметричной и соответствовала геометрической симметрии сечения, а также была возможность установки соответствующих индуктивных датчиков. Количество пар характерных точек и количество датчиков выбираются исходя из вида профиля изделия. Датчики устанавливаются в одной плоскости, которая совпадает с плоскостью контролируемого сечения профиля изделия. Скорость движения датчиков выбирается такой, чтобы величина напряжений на датчиках обеспечивала достоверность снимаемой с них информации. Процесс снятия и обработки информации может быть автоматизирован.
Технический результат реализации предлагаемого способа заключается в возможности оперативного выявления дефектов и оценки местных напряжений в материале протяженных конструкций с помощью автоматизированных мобильных технических средств.
Информационные источники
1. Пат. №2441227 Российская Федерация, RU 2441227 С1, МПК G01N 27/72 (2006.1). Способ магнитной дефектоскопии изделий в напряженном состоянии / Степанов Л.П., Милованов А.И., Степанов М.А.; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщен. - №2010121417/28, заявл. 26.05.2010, опубл. 27.01.2012, Бюл. №3. - 3 с.
2. Пат. №2452943 Российская Федерация, RU 2452943 С1, МПК G01N 27/82 (2006/01). Способ обнаружения изгибных напряжений / Степанов А.П., Степанов М.А., Милованов A.M., Саломатов В.Н.; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщен. - №2010142042/28, заявл. 13.10.2010, опубл 10.06.2012, бюл. №16. - 5 с.
3. Пат. №2455634 Российская Федерация, RU 2455634 С1, МПК G01N 27/80 (2006/01). Способ оценки запаса прочности изделий в процессе эксплуатации / Степанов Л.П., Степанов М.А., Милованов А.И., Милованова Е.А., Саломатов В.Н.; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщен. - №2010145975/28, заявл. 10.11.2010, опубл. 10.07.2012, Бюл. №19. - 5 с.
4. Физическая энциклопедия. .
5. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле: учебник для электротехн., энерг., приборостроит. спец. вузов. 8-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1986 г. - 263 с.: ил.