Metoda wyznaczenia stanu z napięciem zniekształconym konstrukcji metalowych (metoda koercji)

Kontrola stanu z napięciem zniekształconym (SNZ) konstrukcji stalowych jest jednym z decydujących czynników w ocenie pewności dźwigowej budowy w trakcie eksploatacji.

Z wprowadzeniem do produkcji spawalniczych  konstrukcji stalowych konieczność oceny SNZ stawała się coraz więcej aktualną na wszystkich stadiach  życiowego cyklu wyrobu, ponieważ tempo starzenia się sprzętu znacznie wyprzedzają tempo przezbroenia technicznego.

Za ostatnie dwadzieścia lat zza starzenia się fizycznego więcej niż 85% parku dźwigowego wyszły za granice normatywnego terminu eksploatacji. Ten fakt nadaje zagrożenie bezpieczeństwa przemysłowego. Więcej tego, po rozpadzie ZSRR i skutków kryzysów finansowych i ekonomicznych w zamian zbankrutowanych przedsiębiorstw na placach, co zwolniło się, pojawiły się nowe, lecz z drugim profilem produkcje, właściciele których zostali głównymi konsumentami na «rynku wtórnym» taniej techniki dźwigowej, co nie wiadomo ile lata było w eksploatacji.

W jakości jednego z kierunków rozwiązania tego problemu na podstawie wieloletnich badań otrzymała rozpowszechnienie praktyka diagnostyki konstrukcji stalowych zabudowań dźwigowych przy ekspertyzie bezpieczeństwa przemysłowego na podstawie wymiaru magnetycznej charakterystyki metalu -  siły koercyjnej (H_c).

Teoretyczne podstawy oceny stanu z napięciem zniekształconym konstrukcji nośne dźwigowych.

1. Związek wzajemny magnetycznych i mechanicznych właściwości ze strukturalnym stanem stali i spławów

Przy ocenie stanu z napięciem zniekształconym konstrukcji stalowych dźwigów do podstawy metodyk diagnostyki magnetycznej pokładły się związek wzajemny i zależności korelacyjne magnetycznych, elektromagnetycznych i mechanicznych właściwości stali i spławów, które wyznaczają się strukturalnym stanem, chemicznym i fazowym składami substancji.

Ze wszystkich magnetycznych właściwości do strukturalnie wrażliwych się odnoszą krzywa magnesowania, forma i powierzchnia pętli histerezy magnetycznej (jest brany pod uwagę prywatny ustalony cykl, dla czego czynią wielokrotną komutację magnetycznego pola od +Нmах do - Нmах) i ich parametrze główne: siła koercyjną Hc; pozostała indukcja Wg, (Н) czy pozostałe namagnesowanie Mg (Н), magnetyczna przepuszczalność (podatność) substancji Mg, i magnetyczna przepuszczalność krzywej magnesowania (Мн, Мmах).

Strukturalnie wrażliwe własności magnetyczne są anizotropowe; są one wrażliwe do struktury krystalograficznej, do zmiany mikro i makro naprężeń mikrostruktury, do kształtu i wielkości.

Wielkość siły koercyjnej zależy od objętości i rozmiarów (dyspersji) włączeń.

Na przykład: magnetyczne i elektryczne właściwości mikrostruktury stali zależą od zawartości węgla i dodatków stopowych.

Zwiększenie zawartości węgla prowadzi do zwiększenia siły koercyjnej, odporności elektrycznej i opuszczania magnetyzacji nasycenia.

Obecność w stali dodatków stopowych również doprowadzają do zwiększenia (Сг, Si, Ni, Сu) czy zmniejszenia (Мn)  siły koercyjnej.

Analizując wpływ różnych strukturalnych parametrów na hamowanie ślizgających się dyslokacji i zwłokę przesuwania domenowych zasięgów, można odznaczyć wspólność ich wpływu na właściwości mechaniczne oraz magnetyczne.

Tak, podwyższenie spoistości dyslokacji (N) w strukturze stali towarzyszy zwiększeniem charakterystyk wytrzymałe i znaczeń siły koercyjnej.

Należy wskazać, że σ0,2 (warunkowa granica płynności) i H_c jest proporcjonalny $\sqrt{N}$ .

Podwyższenie napięncia w stali doprowadza do wzrostu σ0,2 i Н_c.

Zwiększenie objętości perlitycznej składową w strukturze stali towarzyszą podwyższeniem Н_c a σ0,2.

Jest pokazowy ten fakt, że коэрцитивная siła i warunkowa granica płynności jest proporcjonalna objętości włączeń w stali; poprez teorię Kerstena Нс~v²/₃

i eksperymentalne dane dla σ0,2 dają taką samą zależność.

Zwiększenie rozmiaru ziarna (d) towarzyszy obniżeniem jak σ0,2 tak i H_c; ale, H_c~1/d, ${\sigma }_{\mathrm{0,2}}\sim 1/\sqrt{d}$ .

Więc, magnetyczna metoda kontroli stosuje się przy obecności odpornej parzystej czy mnogiej prawdopodobieństw współzależności między kontrolowanymi wskaźnikami jakości konstrukcyj stalowych i charakterystykami magnetycznymi stali.

Związek korelacyjny między charakterystykami magnetycznymi i właściwościami mechanicznymi, którzy jest wskaźnikami jakości (σ0,2; σB; twardość; wielkość ziarna; wskaźniki deformacyjnego umocnienia i nierównomiernego plastycznego zniekształcenia itc.) wyznacza się na mocy informacyjnego masywu dla każdej marki stali czy grup marek slali, co różni się w zasadzie zawartością węgla i «magnetycznie twardych» czy «miękkich» dodatków stopowych.

2. Podstawy fizyczne kontroli magnetycznej.

Nieniszcząca kontrola magnetyczna właściwości mechanicznych materiałów ferromagnetycznych na podstawie korelacji między właściwościami magnetycznymi i fizycznie-mechanicznych, gdyż oba zależą od tych samych czynników: skład chemiczny, warunki obróbki cieplnej, odkształcenie plastyczne, naprężenia mikro-i makroskopowe, zwichnięć i innych miejscach.

W przypadku stali niskostopowych wyżej zaznaczone czynniki jednocześnie i jednoznacznie wpływą na właściwości mechaniczne i magnetyczne metalu. Dlatego, nieinwazyjne magnetyczne metody mogą być z powodzeniem stosowane do kontroli stanu z napięciem zniekształconym metalu, stopnia odkształcenia plastycznego i uszkodzenia zmęczeniowego najbardziej obciążonych węzłów obróbki metali w długoterminowych obciążeniach okresowo te obejmują belki dwuteowe i elementy napędowe belki nośnej węzłów.

Mikro i makrodefekty struktury, gromadząc się w metalu w trakcie cyklicznego załadunku przy rozciąganiu, ściskaniu, wygięciu czy kręceniu, jak by zbierają i zachowują informację, jednoznacznie związaną z maksymalnymi wielkościami czynnych obciążeń, wskutek czego struktura metalu detali stalowej wykonuje funkcje swoistego czujnika pikowego znaczenia siły, co zapamiętuje. A szereg parametrów magnetycznych, jednoznacznie związanych z ilością naruszeń struktury metalu, w ten sposób, jest swoistym odzwierciedleniem siłowego reżimu pracy.

W jakości głównego parametru magnetycznego do kontroli była elitarna wielkość  siły koercyjnej, ponieważ ona jednoznacznie jest związana z pozostałym plastycznym zniekształceniem ε_pl przy statycznym i cyklicznym załadunku konstrukcje stałowych w trakcie eksploatacji.

Za swoją przyrodą H_c i ε_pl są wzajemnie powiązanymi parametrami, co rośnie przy cyklicznym załadunku, jak to można widzieć przy analizie magnetycznych i deformacyjnych pętli histerezy, rysunek 1. Po swoim fizycznym sensie siła koercji H_c - to napięcie pola magnetycznego, konieczne dla pełnego rozmagnesowywania zawczasno namagnesowanego do nasycania ferromagnetyka (przy B=0 po ostatecznej pętli histerezy), i może być przedstawiona, jak:

H_c=B/E+(B/K)^1/n (1)

gdzie:

В	indukcję pozostałą;
К	cykliczny współczynnik napięcia;
n	cykliczny współczynnik umocnienia;
E	moduł prężności.

Pozostała deformacja ε_pl - amplituda nieodwołalnej deformacji - wyznacza się analogicznymi parametrami:

ε_pl=σ/E+(σ/K)^1/n (2)

gdzie:

σ	amplituda obciążenia;
E	moduł prężności.

$H_c=\frac{B}{E}+{\left(\frac{B}{K}\right)}^{\frac{1}{n}}$ (3)

${\epsilon }_{\mathrm{pl}}=\frac{\sigma }{E}+{\left(\frac{\sigma }{K}\right)}^{\frac{1}{n}}$ (4)

Нс	siła koercji	εpl	pozostała deformacja
Вост	pozostała indukcja	σa	amplituda z obciążenia
К	cykliczny współczynnik napięcia	n	cykliczny współczynnik umocnienia

Rysunek 1. Magnetyczna i deformacyjna pętli histerezy.

Przy obecności korelacji zależności między Hc i εpl za wielkością siły koercji można prowadzić kontrolę gromadzenia obrażeń w metalu, prężnie-plastycznej deformacji metalu, a także prognozować męczącą długowieczność metalu.

Praktycznie wszystkie rodzaje stali, używanych przy konstruowaniu elementów dżwigowe  maszyn i mechanizmów, odnoszą się do klasy uniemocnione, dla których  < 0,1, a wielkość Н_с w stanie dostarczenia stosunkowo jest niewysoka: od 1,5 do 10 A/cm. Dla tych stali istnieje odporna korelacja magnetycznych i fizycznie-mechnicznych właściwości z współczynnikiem korelacji nie goreje, aniżeli 0,9. Toż magnetyczna metoda może zabezpieczyć operatywną kontrolę strukturalnego stanu elementów konstrukcje metalowych dżwigów.

Nomogramy do umocnienia 09G2S, 20HN3A, ST3 pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2. Nomogramy do określenia wartości napięcia za wskaznikami siły koercji w konstrukcji stalowej St 3, 09G2S 20HN3A

3. Magnetyczna structureskopja i kontrola stanu stanu z napięciem zniekształconym konstrukcyj metalowe urządzeń dźwigowych.

Przez analogię z kontrolą właściwości mechanicznych stali na podstawie wykresu obciążenia w metodyce kontroli magnetycznej są wprowadzone następne bazowe parametry stanu metalu:

${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^0$	początkowe znaczenie siły koercji, przy nieobecności wewnętrznego napięcia ono jest minimalne dla dowolnej marki stali.
${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{T}}$	odpowiadają poziomowi wewnętrznego napięcia, równego fizycznej granicy płynności (σT).
${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{B}}$	odpowiada osiągnięciu granicy wytrzymałości stali (σB).
${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{N}}$	odpowiada osiągnięciu granicy znużenia (σ0) przy instalacji zeolitową oczyszczania oleją (IZOO)

W zależności od przyjętych kryteriów, standardów technicznych, przy obliczaniu wytrzymałości konstrukcyjnej elementów nośnych wartości krytycznych siły koercji mogą być ustalone na poziomie granicy plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie ${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{T} }$lub ${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{B}}$ .

Charakterystyczne, że przy ocenie resursu konstrukcji metałowych, znaczenia ${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{N} }$i${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{B}}$zbiegają się, ponieważ ostateczny stan metalu za wielkością siły koercji równie dla cyklicznego i statycznego obciążenia.

Odpowiednio do МВ 0.00-7.01-05 kontrola stanu elementów konstrukcij metałowe spełnia się na podstawie nomogramę, zbudowanych dla każdego typu stali z obróbką statystyczną wyników po GOST 30415-96.

Przemiana wielkości siły koercji w metalu, jak wskazywało się powyżej, dzieje się magnetycznym strukturoskopem КРМ-ЦК-2М, opracowanym NPF «СНР» i MNPO  «Спектр» dla diagnozowania obiektów PPN Ministerstwa ds. Sytuacji Wyjątkowych Ukrainy i PMNT Rosji. Strukturoskop przeszedł Międzyresortową komisję ma Certyfikat odpowiedniości metrologicznym normom №0000482. Przy obecności korelacji zależności po Normę państwową (GOST) 30415-96 przyrządem można prowadzić kontrolę napięcia, deformacji i resursów konstrukcję stalowych .

Ilościowymi kryteriami oceny stanu konstrukcij metałowe służą maksymalne znaczenia siły koercji ${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\max }$w rozliczeniowych elementach zabudowań dźwigowych w trakcie eksploatacji. Podwyższenie H_c w porównaniu z początkowym znaczeniem${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{0 }$świadczy o wzroście ostatecznego wewnętrznego napięcia i deformacji. Z przejściem do prężnie-plastycznego stanu ( ${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\max }$ = ${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{T}}$ ) metal zaczyna tracić zapas plastyczności, który ostatecznie wyczerpuje się w stadium razumocnienia i przejścia do rujnacji, kied ( ${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\max }$ = ${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{B}}$ ).

Toż cały prognozowany termin pracy zabudowy dźwigowej (ZD) może być odseparowany na etapy po mierze gromadzenia pozostałych deformacji w najbardziej ładownych elementach konstrukcij stałowych. МВ 0.00-7.01-05 jest przewidziany trzy reżimy eksploatacji ZD:

1. reżim «pewnej» eksploatacji przy ${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\max }$ << ${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{T}}$ , kiedy metal pracuje w prężnym obwodzie wykresu obciążenia i maksymalne napięcie nie przekracza fizycznej granicy prężności stali.
2. reżim eksploatacji «kontrolowanej» przy${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\max }$≤ ${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{T}}$ , kiedy oddzielne elementy konstrukcję stałowych pracują w prężnie-plastycznym obwodzie wykresu obciążenia, a maksymalne pozostałe napięcie osiąga fizycznej granicy płynności stali.
   Pracując w reżimie «kontrolowanej» eksploatacji potrzebne:
   
   • organizacja stałej wizualnej kontroli za elementami konstrukcję stałowych, co utrafiły do obwodu prężnie-plastycznych deformacji;
   • przy przeprowadzeniu kolejnych pełnych nadzorów technicznych (PNT) przeprowadzać kontrolę magnetyczną z fiksowaniem wyników wymiarów НС w dowodzie osobistym ПС, co pozwoli śledzić dynamikę rozwoju znużenia z napięciowo-zniekształconego stanu metalu.
3. «krytyczny»  reżim eksploatacji przy ${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{T}}$ ≤ ${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\max }$ ≤ ${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{B}}$ , kiedy oddzielne elementy ZD pracują w prężnie-plastycznej i plastycznej obwodach wykresu obciążeni i maksymaalne napięcie przekracza granicę płynności stali, wskutek czego pojawiają się znużone pęknięcia.
   Pracując w  «krytycznem»  reżimie niezbędne:
   
   • zrobić wzmacnianie elementów, u których${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\max }$ ≥0,9 ${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{B}}$ , ponieważ w kilka razy rośnie techniczne ryzyko rujnacji;
   • uniemożliwić przeobciążenie ZD;
   • ograniczyć termin następnej obserwacji do 1 roku.

Normatywną bazą kontroli magnetycznej są: Standard Międzynarodowy ISO 4301, Standard Międzypaństwowy Norma państwowa (GOST) 30415-96        (ze zmian. 1), metodyczne wskazania RD IKC «Dżwig» 07/97/02 (Rosja), MB 0.00-7.01-05 (Ukraina).

Od roku 2012 przeprowadzenie kontroli magnetycznej  jest wprowadzone jak obowiązkowy etap prac przy przeprowadzeniu ekspertowej obserwacji elementów konstrukcij metałowych dżwigów, co odpracowały normatywny termin służby (OMD) 22460848.003-2012).