Diagnostyka wyrobów i urządzeń z metali ferromagnetycznych
wykonywana metodą magnetycznej pamięci metalu (metodą MPM)

W Rosji w latach 1985-1990 opracowano całkiem nową metodę diagnostyki wyrobów i urządzeń, opartą na efekcie magnetycznej pamięci metalu. W Polsce na przełomie lat 1989-90 rozpoczęto pierwsze prace badawcze metodą magnetycznej pamięci metalu (MPM).

Określono warunki formowania pozostałości magnetycznej metalu, odzwierciedlającej strukturalną pamięć magnetyczną  oraz  stan naprężeń i odkształceń wyrobów metalowych. W metodzie MPM wykorzystane są zależności magnetyczno-energetyczne tzw. własnego pola magnetycznego metalu utworzonego w trakcie zachodzących przemian w budowie i wielkości oraz rozkładzie domen magnetycznych podczas oddziaływania sił zewnętrznych.

Poniżej opisano pierwsze początkowe kryteria wykorzystywane w diagnostyce wyrobów za pomocą metody magnetycznej pamięci metalu. Określają one strefy koncentracji naprężeń (KN) na powierzchni badanego wyrobu charakteryzujące się zmianą znaku pola namagnesowania Hp wzdłuż linii pola, na której to składowa normalna (prostopadła) pola Hpy przyjmuje wartość zerową  Hpy=0 [A/m]

Na stronie podajemy przykłady praktycznego zastosowania kryterium dla wczesnej diagnostyki uszkodzeń zmęczeniowych wyrobów lub urządzeń.

badanie urządzeń metodą MPM

Zdjęcie ilustruje diagnozowanie urządzeń metodą MPM  -  widać, że
badanie metodą MPM nie wymaga żadnego przygotowania powierzchni diagnozowanego urządzenia
,
 pomiary wykonuje się na urządzeniach pomalowanych.

 


   Wiadomo, że koncentracja naprężeń (KN) powoduje uszkodzenia, wśród których najbardziej intensywne są procesy korozji, zmęczenia i pełzania.
   Pojawienie się obszarów koncentracji naprężeń wewnętrznych w wyrobach ferromagnetycznych spowodowane jest samą technologią ich wykonania. Odlewanie, kucie i obróbka termiczna metalu odbywają się w temperaturze powyżej punktu Curie (768°C), kiedy to całkowicie zanika pozostałość magnetyczna. Podczas późniejszego ochładzania metalu poniżej punktu Curie (ochładzanie odbywa się zazwyczaj w polu magnetycznym Ziemi) wraz z krystalizacją metalu na skutek efektu magneto-mechanicznego formuje się magnetyczna tekstura wyrobu.
   W ten sposób powstaje strukturalna pamięć stali (pozostałość magnetyczna związana z formą i wymiarem ziarna oraz z niejednorodnościami wywołanymi występowaniem domieszek metali i wad materiału) nazywana dalej Magnetyczną Pamięcią Metalu.

   W miejscach największej koncentracji wad i niejednorodności w materiale wyrobu (w zewnętrznym polu Ziemi) pojawiają się węzły zamocowania domen, które wykształcają sumaryczne, rozproszone pole magnetyczne odczytywane na powierzchni wyrobu. Poślizg dyslokacji, dzięki któremu odbywa się formowanie struktury metalu i ostatecznego namagnesowania, określa w rezultacie koncentrację wewnętrznych naprężeń. W miejscu koncentracji wad (i związanych z nimi koncentracji naprężeń wewnętrznych) magnetyczne przenikanie metalu staje się minimalne, a na powierzchni wyrobu wykształca się maksymalne pole rozproszenia. Składowa styczna tego pola Hp w strefie KN ma wartość maksymalną, a składowa normalna Hpy przechodząc przez wartość zerową zmienia znak. Podczas skanowania wzdłuż powierzchni wyrobu czujnikiem przyrządu (miernikiem) możliwe staje się określenie stref KN (rys. 1).

   Poziom koncentracji naprężeń wewnętrznych może określać wielkość pola Hp, która jest zgodna z kierunkiem domen zamykających na powierzchni wyrobu. Wiadomo, że domeny zamykające skierowane są wzdłuż trudnej osi namagnesowania, i dlatego wielkość Hp charakteryzuje energię anizotropii spowodowaną niejednorodnością struktury.

   Linie KN na konkretnych wyrobach, w zależności od swojego położenia w stosunku do kierunku działania zewnętrznego obciążenia, mogą powodować utwardzenie lub zmiękczenie materiału. Próbka z prostopadłym położeniem linii KN w stosunku do kierunku zewnętrznego obciążenia ma obniżoną wytrzymałość w porównaniu z próbkami, na których linia KN położona jest pod kątem lub współosiowo z obciążeniem. Dla potwierdzenia tego założenia przeprowadzone były specjalne badania na próbkach z ferromagnetycznej stali na zrywarce wytrzymałościowej.

   Rys. 2 a) przedstawia rozkład  Hpy wzdłuż osi próbki na jej powierzchni przed wstawieniem w zaciski zrywarki i rozkład linii  Hpy=0, charakteryzującej linię KN przed rozpoczęciem badań. Próbkę badano na rozciąganie przykładając siłę P prostopadle do linii KN. Na rys. 2 b) widać, że rozerwanie próbki nastąpiło praktycznie po linii KN (Hpy=0). Analogiczne wyniki badań otrzymano na różnych próbkach ze stali ferromagnetycznych.
   Wiadomo, że szyjka pojawia się w "najsłabszym" miejscu próbki. W miejscu formowania się szyjki na próbce (przecięcie Hpy=0) następuje szybkie zbliżenie się dyslokacji, które powoduje pojawienie się mikropęknięć - zaczątków zniszczenia. Mechanizm kształtowania szyjki na próbce i następnie jej rozerwania jest dobrze opisany w literaturze. Jednak wyjaśnień, dlaczego szyjka pojawia się właśnie w tym miejscu konkretnej próbki, w literaturze niestety nie było aż do początku lat 90 ubiegłego stulecia.

   Przeprowadzone eksperymenty pozwalają odpowiedzieć na to pytanie. W próbkach z wyraźną linią KN, położoną prostopadle do kierunku zewnętrznego obciążenia, pojawienie się szyjki i rozerwanie próbki następuje dokładnie po linii KN. W tych przypadkach, gdy linia KN na próbkach była położona wzdłuż jej osi lub koncentracja naprężeń (intensywność zmiany wielkości Hpy) nieznaczna, miejsca pojawiania się szyjki, a następnie, rozerwania próbek najczęściej nie były zgodne z liniami KN. Jednocześnie w różnych doświadczeniach, w miarę zwiększania obciążeń obserwowano przemieszczenie linii Hpy=0  w miejsce pojawiania się szyjki na próbce.
   Na podstawie wykonanych badań opracowana została szybka metoda diagnostyki części maszyn i wyrobów według ich podatności na uszkodzenia w czasie eksploatacji.

  Na rys. 3 a) linia KN jest położona u podstawy łopatki i przebiega prostopadle do odśrodkowej siły roboczej. Takiej łopatki nie należy dopuścić do eksploatacji. Na rys. 3 b) linia KN położona jest  wzdłuż korpusu łopatki i nie stanowi zagrożenia.


   Opisany wcześniej parametr, charakteryzujący się zerową wartością normalnej składowej rozproszenia magnetycznego pola, jest przydatny do określenia stref KN w urządzeniach będących w stanie eksploatacji (np. rurociągi, dowolne naczynia lub konstrukcje metalowe). Na pracujących częściach maszyn i urządzeń, występująca pamięć magnetyczna metalu jest wynikiem przykładanych obciążeń i zaistniałych zmian strukturalnych. Obciążenia wywołują znaczące zmiany  wielkości i kierunku namagnesowania metalu.
   W miejscu zniszczenia rury kotłowej (system energetyczny Wołgogradu) zaobserwowano silne namagnesowanie. Na rys. 4 pokazany jest kawałek metalu z miejsca zniszczenia, który przyciąga opiłki tak jak normalny magnes. Wtedy postawiono pytanie - skąd wzięło się to silne namagnesowanie w miejscu zniszczenia rury.



Rys. 4.  Kawałek metalu z miejsca zniszczenia rury kotłowej. 
                Opiłki metalu przyciągane są do niego jak do magnesu.


   Badania laboratoryjne i przemysłowe wykazały, że poziom i rozkład pozostałości magnetycznej (i odpowiadającego jej rozproszenia pola magnetycznego na powierzchni kontrolowanych urządzeń) uwarunkowane są występowaniem efektu magneto-sprężystego lub efektu magneto-mechanicznego.
   Na rys. 5 pokazano schemat ujawniania się efektu magnetycznego. Jeśli na urządzenie działa cykliczna siła (zachodzi to w zewnętrznym, ziemskim polu magnetycznym), to w urządzeniu następuje wzrost ostatecznego namagnesowania - indukcji (B).


Rys. 5.  Schemat efektu magnetycznego:
              Br - zmiana ostatecznej indukcji;
      - zmiana cyklicznej siły;
                 He  -  zewnętrzne pole magnetyczne


   W efekcie działaniem cyklicznych lub wibracyjnych obciążeń w urządzeniach i konstrukcjach następuje znaczny wzrost namagnesowania metalu. Zawsze jest to zjawisko niepożądane, gdyż grozi uszkodzeniem lub zniszczeniem urządzeń.
   Po ujawnieniu silnego namagnesowania rur kotłowych w Wołgogradzie po raz pierwszy zaproponowano zastosowanie tego zjawiska do celów diagnostycznych. Na rys. 6 pokazano rozłożenie pola ostatecznego namagnesowania wzdłuż rur kotłowych. Powstałe pole magnetyczne odzwierciedla naprężenia i odkształcenia rur, pojawiające się podczas pracy kotła.


Rys. 6.  Rezultaty badania oddzielnych rur kotła     
           1 - miejsca zamocowań rur;  2 - magnetometr;  3 - pręt remontowy;
4 - plama zewnętrznej korozji metalu;   PC - styk remontowy;
A, D, E - punkty utraty wytrzymałości rury;
         C, B, F - miejsca maksymalnego przegięcia rury.


   Podczas badań ustalono również, że zmiana pozostałości magnetycznej i zmierzonego rozproszenia pola magnetycznego podczas rozciągania, ściskania, skręcania lub cyklicznych obciążeń wyrobów ferromagnetycznych jest jednoznacznie związana z maksymalnymi działającymi naprężeniami i odkształceniami - to pozwala wykorzystać ten parametr do opracowania konkretnej metody diagnostyki.

   Zazwyczaj w realnych warunkach pracy rur pod działaniem obciążeń pojawia się zmniejszenie wytrzymałości materiału. W najbardziej osłabionych przekrojach rury wykształcają się koncentracje naprężeń i odkształceń. W tych przekrojach pojawiają się skupiska poślizgu dyslokacji, i to na długo przed osiągnięciem granicy plastyczności metalu.
   Badanie za pomocą zaproponowanej metody diagnostyki można wykonywać podczas pracy urządzeń i co jest ważne - nie jest wymagane jakiekolwiek przygotowanie kontrolowanych powierzchni.

   Badanie metodą pamięci magnetycznej metalu (MPM) zalicza się do metod szybkich. Specjalistyczne, miniaturowe przyrządy z ekranem i czujnikiem pozwalają wykonać badanie np. rurociągu z szybkością 100m/1h i więcej.

   Podstawowym zadaniem badania MPM jest zdefiniowanie na obiekcie najbardziej niebezpiecznych odcinków i węzłów, charakteryzujących się strefami KN. W połączeniu, na przykład, z badaniami ultradźwiękowymi określa się rozmiary i położenie konkretnej wady.


   Na rys. 7 pokazano jamę korozyjną w strefie koncentracji obciążeń skręcających i charakterystyczny rozkład rozproszenia pola magnetycznego, zarejestrowane na zewnętrznej powierzchni rury. Linie koncentracji przedstawione na rys. 7 odpowiadają liniom zmiany znaku składowej Hpy rozproszenia pola magnetycznego.


Rys. 7.  Zmiana znaku pola Hp w punktach A, B, C odpowiada zmianie znaku zwrotu działających sił
(ściskanie-rozciąganie i rozciąganie-ściskanie).

   W miejscu koncentracji naprężeń od cyklicznych obciążeń skręcających, na wewnętrznej ściance rury zachodzi zniszczenie ochronnej warstwy metalu i przy współudziale agresywnych komponentów wody kotłowej następuje korozyjno - zmęczeniowe zużycia materiału.


   Na rys. 8 pokazano położenie normalnej składowej rozproszenia pola magnetycznego, zarejestrowanego wzdłuż tworzącej od strony palników na jednej z rur kotłowych, pracującej w warunkach niedostatecznej kompensacji temperaturowej. Jak widać na rys. 8, pole Hp zmienia się wzdłuż tworzącej podobnie do krzywej sinusoidalnej. Dzięki efektowi magnetycznej pamięci metalu możemy zobaczyć w jakich warunkach pracuje rura pod obciążeniem. Podczas specjalnych badań zademonstrowano, że sinusoida rozłożenia pola Hp odzwierciedla sprężyste przegięcie rury pod działaniem momentu zginającego.


Rys. 8.  Rozkład składowej normalnej naprężeń rozproszonego pola magnetycznego
zarejestrowany na ekranowanej rurze kotła TrM-96.

Od końca lat 90-tych posiadamy już matematyczno-fizyczny model charakteryzujący związek naprężeń i odkształceń w rurociągach z rozkładem rozproszenia pola magnetycznego. Na podstawie takiego modelu możliwa jest ilościowa ocena poziomu dodatkowych szacunkowych obciążeń - tę ocenę podaje automatycznie specjalny program stosowany bezpośrednio w procesie badania.

Na rys. 9 pokazano rozkład linii KN wykrytych podczas badań na jednym z naczyń - nastąpiło tu zmniejszenie wytrzymałości materiału naczynia spowodowane korozyjno-zmęczeniowym zużyciem metalu na wewnętrznej powierzchni naczynia.

   Badania metodą MPM są efektywne przy ocenie pozostałego czasu pracy (resursu) urządzeń. Na podstawie oceny faktycznego stanu naprężeń i odkształceń w urządzeniach możliwe stają się działania naprawcze przedłużające ich żywotność eksploatacyjną.
   Badania MPM można stosować do wyboru reprezentacyjnych próbek metalu w celu dalszych badań w laboratorium. Badania MPM to na dziś jedyna metoda diagnostyki, która pozwala szybko określić strefy wad metalu w nowych wyrobach i z wysoką dokładnością określić powstające uszkodzenia w pracujących urządzeniach. Jako jedyna spośród metod badań nieniszczących zdaje egzamin przy wykrywaniu niespodziewanych zniszczeń zmęczeniowych w urządzeniach.

   W Rosji opracowano i stosuje się w praktyce procedury z zasadami badań MPM dla wielu gałęzi przemysłu. Są to zasady kontroli rurociągów, naczyń ciśnieniowych, łopatek, wirników i tarcz turbin parowych i gazowych oraz połączeń spawanych w różnych konstrukcjach.
  Badania MPM i przyrządy kontrolne wprowadzone zostały już w ponad 200 zakładach Rosji i innych krajów (Chiny, Ukraina, Polska, Bułgaria).
   Na 50-tym kongresie Międzynarodowego Instytutu Spawalnictwa (MIS), który odbył się w San Francisco (lipiec 1997), metoda MPM zostały zarekomendowana przez MIS do stosowania jej do oceny stanu naprężeń i odkształceń w urządzeniach.
   W planie pracy Międzynarodowego Instytutu Spawalnictwa (V komisja - nieniszcząca kontrola) wspólnie z Instytutem Badań Nieniszczących (Saarbrucken, Niemcy) opracowano program ENRESC na temat "Badanie naprężeń i odkształceń". Program stawia zadanie sprawdzenia efektywności metody magnetycznej pamięci metalu w porównaniu ze znanymi metodami kontroli stanu naprężeń i odkształceń. W programie mogą wziąć udział wszyscy chętni, w pierwszym rzędzie przedstawiciele kręgów przemysłowych.


Rozkład magnetycznego pola Hp wzdłuż spoiny dennicy przed naprawą pęknięcia
i strefy maksymalnej koncentracji naprężeń (KN).



Wyniki kontroli przed naprawą spoiny dennicy reaktora R-701/1 Anwil S.A Włocławek


wróć na poprzednią stronę

03-116 Warszawa, ul. Czarodzieja 12     tel. +48 22 744-53-64 (metoda MPM)

wróć na początek strony