Спосіб виявлення внутрішніх напруг в сталевих деталях та/або в сталевих конструкціях

1. Спосіб виявлення внутрішніх напруг в сталевих деталях та/або в сталевих конструкціях, що включає дію на визначений об'єм матеріалу досліджуваного об'єкта магнітним полем і вимірювання параметрів магнітних полів визначеного об'єму матеріалу досліджуваного об'єкта, який відрізняється тим, що на визначений об'єм матеріалу досліджуваного об'єкта діють змінним електромагнітним полем з частотою, котра не перевищує 1 Гц, причому амплітуда коливань низькочастотного електромагнітного поля, котрим діють на визначений об'єм матеріалу досліджуваного об'єкта, відповідає області зворотного намагнічування матеріалу досліджуваного об'єкта, до того ж на визначений об'єм матеріалу досліджуваного об'єкта діють змінним електромагнітним полем так, щоб виключити вплив на вимірювання магнітних параметрів залишкової намагніченості об'єму матеріалу, котрий досліджують, і при цьому вимірюють стільки магнітних параметрів та числових значень 2 (19) 1 3 Винахід відноситься до способів виявлення внутрішніх напруг в сталевих деталях та/або в сталевих конструкціях і може бути використаний при ремонті та виготовленню трубопроводів, в машинобудуванні, суднобудуванні, енергетиці та транспорті. Тобто винахід може бути використаний скрізь, де використовують сталеві деталі та/або сталеві конструкції відповідального призначення. Відомий спосіб виявлення залишкових напруг в виробах із феромагнітних матеріалів, котрий включає вимірювання напруженості магнітного поля, зокрема максимальну величину напруженості магнітного поля, по котрій і визначають максимальну величину залишкових напруг, діючих в напрямку, співпадаючим з напрямком вимірюваного магнітного поля [1]. Основним недоліком цього способу є низька достовірність виявлення залишкових напруг в виробах із феромагнітних матеріалів, оскільки при здійсненні способу вимірюють тільки максимальну величину напруженості магнітного поля, котра може залежати не тільки від механічних напруг в виробах із феромагнітних матеріалів, а й від намагніченості самих виробів. Намагніченість виробів в свою чергу залежить від магнітного поля Землі, котре є нерівномірним та постійно змінюється, та від електромагнітних полів промислового обладнання на виробництві, що теж може бути нерівномірним та постійно змінюватися. Низька достовірність виявлення залишкових напруг в виробах із феромагнітних матеріалів не дозволяє також їх точно досліджувати та контролювати в часі. Найбільш близьким є спосіб визначення характеристик напружено - деформованого стану матеріалів деталей та конструкцій, який включає дію на визначений об'єм матеріалу досліджуваного об'єкту магнітним полем і вимірювання параметрів магнітних полів визначеного об'єму матеріалу досліджуваного об'єкту [2]. Цьому способові властивий такий самий недолік, оскільки навіть магнітна проникність матеріалу теж залежить від намагніченості самого матеріалу. До того ж магнітнодинамічні процеси в матеріалі досліджуваного об'єкта супроводжуються частковим перерозподілом внутрішніх напруг в досліджуваному матеріалі, що додатково зменшує достовірність результатів вимірювань та розрахунків внутрішніх напруг. В основу винаходу поставлена задача, шляхом вдосконалення способу виявлення внутрішніх напруг в сталевих деталях та/або в сталевих конструкціях, збільшити точність та достовірність виявлення залишкових напруг в сталевих деталях та/або в сталевих конструкціях. 1. Поставлена задача вирішується тим, що в способі виявлення внутрішніх напруг в сталевих деталях та/або в сталевих конструкціях, що включає дію на визначений об'єм матеріалу досліджуваного об'єкту магнітним полем і вимірювання параметрів магнітних полів визначеного об'єму матеріалу досліджуваного об'єкту, новим є те, що на визначений об'єм матеріалу досліджуваного об'єкту діють змінним електромагнітним полем з частотою, котра не перевищує 1Гц (один Герц), причому амплітуда коливань низькочастотного 91437 4 електромагнітного поля, котрим діють на визначений об'єм матеріалу досліджуваного об'єкту, відповідає області зворотного намагнічування матеріалу досліджуваного об'єкту, до того ж на визначений об'єм матеріалу досліджуваного об'єкту діють змінним електромагнітним полем так, щоб виключити вплив на вимірювання магнітних параметрів залишкової намагніченості об'єму матеріалу, котрий досліджують, і при цьому вимірюють стільки магнітних параметрів та числових значень магнітних параметрів, що надходять з внутрішніх шарів визначеного об'єму матеріалу досліджуваного об'єкту, стільки потрібно для вирахування магнітної енергії визначеного об'єму матеріалу досліджуваного об'єкту з встановленою точністю, і далі, по отриманих числових значеннях вимірюваних магнітних параметрів, розраховують числове значення об'ємної щільності магнітної енергії визначеного об'єму матеріалу досліджуваного об'єкту, а потім порівнюють його з числовим значенням вимірюваної та вирахуваної такими самими способами об'ємної щільності магнітної енергії еталонного зразка, тобто такої самої сталевої деталі чи такої самої сталевої конструкції, виготовлену з такого ж самого матеріалу, котрий пройшов термічну обробку з метою зняття внутрішніх напруг, та визначають збільшення об'ємної щільності магнітної енергії, і потім вираховують відносне співвідношення збільшення числового значення об'ємної щільності магнітної енергії визначеного об'єму матеріалу досліджуваного об'єкту з числовим значенням вимірюваної та вирахуваної об'ємної щільності магнітної енергії матеріалу еталонного зразка. 2. Новим по п.1 є те, що вимірюють максимально можливу кількість магнітних параметрів, що надходять з внутрішніх шарів визначеного об'єму матеріалу досліджуваного об'єкту. 3. Новим по п.1,2 є те, що магнітні параметри, що надходять з внутрішніх шарів визначеного об'єму матеріалу досліджуваного об'єкту вимірюють в різні чи однакові проміжки часу. 4. Новим по п.1 - 3 є те, що вимірювання магнітних параметрів проводять в визначених точках, що знаходяться на встановленій відстані одна від іншої, по всій поверхні досліджуваного об'єкту і виявляють зони, що відповідають максимальним внутрішнім напругам. 5. Новим по п.1-4 є те, що додатково виявлять напрямок вектора максимума відносної зміни об'ємної щільності магнітної енергії, котрий відповідає напрямку вектора максимума внутрішніх напруг. На Фіг.1 схематично зображено виконання вказаного способу, де В1 та В2 - індукція електромагнітного поля, котрим діють на матеріал досліджуваного об'єкту, а Воб - індукція залишкової намагніченості матеріалу досліджуваного об'єкту. Спосіб здійснюють наступним чином. На визначений об'єм матеріалу досліджуваного об'єкту 1 діють змінним електромагнітним полем з частотою, котра не перевищує 1Гц (один Герц), причому амплітуда коливань низькочастотного електромагнітного поля, котрим діють на визначений об'єм матеріалу досліджуваного об'єкту 1, відповідає 5 91437 6 області зворотного намагнічування матеріалу доскоерцитивна сила, магнітна проникливість матеріліджуваного об'єкту (Фіг.1). алу, форма петлі Гістерезіса та ін. Вимірювання Матеріалом досліджуваного об'єкту 1, майже здійснюють, фіксуючи в вимірювальній обмотці 4, завжди, може бути феромагнітна сталь будь якої наведеного низькочастотного електромагнітного марки. Досліджуваним об'єктом може бути будь сигналу, та використовуючи вимірювальні електякий стальний виріб. ронні пристрої (осцилографи, мілівольтметри, мікВ обмотку збудження 2 подають змінний елекроамперметри, та ін.). По отриманих числових тричний струм вказаної частоти (не більше 1Гц). значеннях магнітних параметрів вираховують чисЗа допомогою магнітопроводу 3 на визначений лове значення об'ємної щільності магнітної енергії об'єм матеріалу об'єкту 1 діють змінним електровизначеного об'єму матеріалу досліджуваного магнітним полем. об'єкту 1 з встановленою точністю. Магнітний поНа визначений об'єм матеріалу досліджуванотік, проходячи через об'єм матеріалу досліджуваго об'єкту 1 діють змінним електромагнітним полем ного об'єкту 1, змінює свої параметри, числові так, щоб виключити вплив на вимірювання магнітзначення котрих фіксують за допомогою вимірюних параметрів залишкової намагніченості об'єму вальної обмотки 4. Вирахування числового знаматеріалу 1, котрий досліджують. Магнітну мережу чення об'ємної щільності магнітної енергії об'єму на основі магнітопроводу 3 замикають через об'єм матеріалу досліджуваного об'єкту 1 здійснюють матеріалу 1 (Фіг.1) і збуджують в об'ємі матеріалу використовуючи різні формули фізики магнетизму 1 електромагнітне поле з індукцією Вв, де Вв = В1 + та електродинаміки [3]. Щільність магнітної енергії В2 (Фіг.1). Вплив індукції залишкової намагніченосвимірюється в Дж/м3, тобто Н м/ м3. Залишкові ті об'єму матеріалу 1 - Воб, виключається при донапруги в досліджуваному матеріалі вимірюють в триманні рівняння Вв = (В1 + Воб) + (В2 - Воб). Па, тобто Н/м2. Таким чином, фізичні параметри, Збільшувати частоту електричного струму за допомогою яких визначають числові значення більш ніж 1Гц не доцільно, оскільки в цьому випащільності магнітної енергії та фізичні параметри, дку, вже значна частина електромагнітної енергії за допомогою яких визначають числові значення буде поглинатися матеріалом об'єкту 1, тобто фезалишкових напруг, повністю співпадають. ромагнітною сталлю, в вигляді вихрових токів. Це Аналогічним способом вимірюють та вирахозначно зменшуватиме точність та достовірність вують об'ємну щільність магнітної енергії такого виявлення залишкових напруг в сталевих деталях самого об'єму еталонного матеріалу, котрий міста сталевих конструкціях. При частоті електричнотить якнайменше внутрішніх напруг. Це може бути го струму більш ніж 1Гц також зменшується глибистальний виріб, котрий пройшов досконалу терміна проникнення електромагнітного поля в дослічну обробку, з метою зняття внутрішніх напруг. джуваний матеріал, що зменшує товщину Після чого вираховують відносну зміну об'ємної матеріалу, котрий досліджують. щільності магнітної енергії. Наприклад, відносну Амплітуда коливань низькочастотного електзміну об'ємної щільності магнітної енергії можна ромагнітного поля, котрим діють на визначений вираховувати по формулі об'єм матеріалу досліджуваного об'єкту 1, також dWM/WM = d c+2dHc, повинна відповідати області зворотного намагніде dWM - зміна об'ємної щільності енергії об'єчування матеріалу досліджуваного об'єкту і ніяк її му досліджуваного матеріалу, відносно досліджуне перевищувати. Інакше в досліджуваному матеваного об'єму такої ж самої марки сталі після терріалі 1, тобто в феромагнітній сталі, можливе вимічної обробки (тобто еталонного зразка кривлення її дислокаційної структури, що також досліджуваного матеріалу); WМ - об'ємна щільність зменшуватиме точність та достовірність виявлененергії еталонного зразка, d c - зміна динамічної ня залишкових напруг в сталевих деталях та стамагнітної проникливості визначеного досліджувалевих конструкціях. ного об'єму стального виробу відносно еталонного Вказаний вплив електромагнітного поля на визразка; dHc - зміна динамічної коерцитивної сили значений об'єм матеріалу досліджуваного об'єкту визначеного досліджуваного об'єму стального ви1, вже забезпечує збільшення точності та достовіробу відносно еталонного зразка. рності виявлення залишкових напруг, в порівнянні Завдяки вимірюванню декількох магнітних паз аналогом та прототипом. Вплив сторонніх факраметрів визначеного об'єму досліджуваного маторів на виявлення залишкових напруг тут зведетеріалу та розрахунку по них єдиного магнітного ний до мінімума. параметру - відносної зміни об'ємної щільності За допомогою вимірювальної обмотки 4 (Фіг.1) магнітної енергії, додатково збільшують точність вимірюють стільки магнітних параметрів та числота достовірність виявлення залишкових напруг в вих значень магнітних параметрів, що надходять з матеріалі (феромагнітній сталі), тобто в сталевих внутрішніх шарів визначеного об'єму матеріалу деталях та/або в сталевих конструкціях. досліджуваного об'єкту 1, стільки потрібно для При вимірюванні максимально можливої кільвирахування об'ємної щільності магнітної енергії кості магнітних параметрів, що надходять з внутвизначеного об'єму матеріалу досліджуваного рішніх шарів визначеного об'єму матеріалу досліоб'єкту 1 з встановленою точністю. Точність вираджуваного об'єкту 1, точність та достовірність хування об'ємної щільності магнітної енергії вставиявлення залишкових напруг в матеріалі (фероновлюють з того, наскільки відповідального призмагнітній сталі), буде також більшою, відносно тої, начення є сталевий виріб, котрий контролюють на що отримана способом згідно першого пункту фовиявлення напруг. Магнітними параметрами, що рмули. надходять з внутрішніх шарів визначеного об'єму При вимірюванні магнітних параметрів, що наматеріалу досліджуваного об'єкту 1 можуть бути дходять з внутрішніх шарів визначеного об'єму 7 91437 8 матеріалу досліджуваного об'єкту 1, в різні чи одто провід 3 в точці вимірювання, в різних напрямнакові проміжки часу, не тільки отримують можликах та шукаючи максимуми чи мінімуми магнітних вість контролювати розвиток напруг у часі, а й параметрів, котрі вимірюють. Виявлення вектора зменшити ймовірність помилки при виявленні замаксимума внутрішніх напруг в матеріалі (феромалишкових напруг в матеріалі (феромагнітній сталі). гнітній сталі) майже виключає помилку при виявЦе додатково збільшить точність та достовірність ленні напруг в матеріалі, оскільки це потребує дувиявлення напруг в сталевих деталях та/або в же ретельного не тільки виявлення але й сталевих конструкціях. дослідження напруг в сталевих деталях та/або в Також здійснюють вимірювання магнітних пасталевих конструкціях. раметрів в визначених точках, що знаходяться на Таким чином, завдяки реалізації вказаного встановленій відстані одна від іншої, по всій повеспособу можна дуже точно й достовірно виявляти рхні досліджуваного об'єкту і виявляють зони, що напруги в сталевих деталях та/або в сталевих відповідають максимальним внутрішнім напругам. конструкціях. Це також додатково збільшує точність та достовіПриклад конкретного виконання рність виявлення напруг в сталевих деталях Спосіб випробуваний на сталевих деталях, та/або в сталевих конструкціях, оскільки напруги маючих циліндричну поверхню, тобто прямошовконтролюють з різних точок поверхні виробу. Таних електрозварних трубах, виготовлених з сталі ким чином ймовірність помилки стає ще меншою. марки 13Г1СУ. Внутрішній діаметр труби 1020мм, Крім цього ще додатково виявлять напрямок товщина стінки труби 10мм, довжина труби 11,8м. вектора максимума відносної зміни об'ємної щільрівень залишкових напруг контролювали в точках. ності магнітної енергії, котрий відповідає напрямку Розташованих на відстані 10-15мм від зварного вектора максимума внутрішніх напруг в матеріалі. шва по всій довжині труби. Всі дані наведені в Це роблять експериментально, повертаючи магнітаб.1. Таблиця 1 Результати контролю рівня залишкових напруг в сталевій трубі. Номер точки вимірювання Координата точки по довжині труби, м Числові значення залишкових напруг в матеріалі труби чи числові значення щільності магнітної енергії в матеріалі труби, відносно еталонного зразка 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 2,0 3,5 5,5 7,5 9,0 10,5 2,4 2,6 2,8 2,9 2,6 2,5 2,4 2,7 2,8 3,3 3,2 3,3 3,2 Згідно числових значень відносного рівня залишкових напруг в матеріалі труби чи відносного рівня щільності магнітної енергії вздовж зварного шва труби, порушень технологічного процесу електрозварювання не виявлено. Джерела інформації 1. Авторське свідоцтво СРСР №1779954, G01L 1/12, опубліковано в бюл. №45, 07.12.92р. 2. Патент на винахід РФ №2146809, 7 G01L 1/12, опубліковано 2000.03.20. 3. Сивухін Д.В., Загальний курс фізики, т.3, електрика // Учбовий посібник, М.: Наука, 1977, с. 288-294. 9 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 91437 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601