Диплом (Назаров) (1205456), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Магнитоупругий эффект зависит от материала, величины и знака его магнитострикций, температуры окружающей среды, упругой деформации и напряженности магнитного поля. Вокруг образца существует магнитное поле. При положительной магнитострикции материала направление результирующей намагниченности совпадает с направлением действия силы и магнитного поля. При отрицательной магнитострикции материала направление результирующей намагниченности перпендикулярно к направлению действия силы и магнитн ого поля. Относительную чувствительность магнитоупругого материала можно характеризовать, как и у тензорезисторов, коэффициентом тензочувствительности:

– продольная деформация;

Магнитоупругие свойства материала характеризуются также относительной магнитоупругой чувствительностью:

где Е – модуль упругости;

μ – магнитная проницаемость;

σ – внутреннее напряжение в материале.

Для одного и того же материала под действием механического напряжения магнитная проницаемость в слабых полях может возрастать, в то время как в сильных – падать.

Устройства, работа которых основана на магнитоупругом эффекте, используют принцип локального намагничивания участка трубопровода, измерения и регистрации магнитного поля с последующей оценкой механических напряжений в области участка намагничивания по экспериментальной зависимости.

Способ определения характеристик НДС материалов деталей иконструкций заключается в измерении параметров магнитных полей на поверхности исследуемого объекта, по оценке которых определяют зоны скопления дислокаций, соответствующие аномальным зонам внутренних напряжений.

Сущность предлагаемого способа заключается в использовании малоизвестных и неизученных в аспекте практического применения свойствах дефектов кристаллической структуры металлов - дислокаций. Дислокация как реально существующий объект обладает вполне реальными физическими свойствами, обусловленными несбалансированностью электромагнитных полей, вызванной локальным разрушением элементов кристаллической атомной решетки.

В случае ферромагнитного материала, элемент решетки представляет собой куб с атомами в его углах, а вся решетка - строгую пространственную структуру. Разрушение такого порядка проявляется как появление полуплоскости, являющейся своеобразным клином, на границах которого оказываются "оторванные" электрические заряды и спиновые моменты. Наличие избыточного количества свободных электронов по обе стороны границ позволяет компенсировать несбалансированность электрических зарядов, однако, "новые" электроны не в состоянии компенсировать разность спиновых моментов, что приводит к появлению элементарного магнитного момента - источника собственного магнитного поля дислокации.

Поскольку, как указывалось выше, в материале, даже в ненапряженном состоянии, существует значительное количество дислокаций, то материал представляет собой совокупность произвольно ориентированных "магнитиков", создающих собственное интегральное магнитное поле материала. В идеальном - однородном изотропном материале напряженность магнитного поля, создаваемого магнитными моментами дислокаций, будет равно нулю. Но любая напряженность металла, свойственная всем реальным материалам, вызывает перемещения и группирование дислокаций, что приводит к появлению скоплений дислокаций, которые имеют существенно большие магнитные моменты. Это и является причиной неравномерности напряженности магнитного поля.

Поскольку магнитное сопротивление ферромагнитных материалов мало, то магнитные потоки, создаваемые скоплениями дислокаций, векторно суммируясь, будут распространяться во всем объеме исследуемого материала с минимальными потерями, что дает возможность регистрировать скопления дислокаций, находящихся не только на поверхности исследуемой детали, но и в толще материала, и даже на противоположной стороне детали. Этим объясняется возможность применения предлагаемого способа.

Способ определения характеристик напряженно-деформированного состояния металла трубопровода, заключается в измерении параметров магнитных полей на поверхности исследуемого трубопровода, по изменению которых определяются зоны скопления дислокаций, соответствующие аномальным зонам, и отличен тем, что измеряется абсолютная величина максимума нормальной составляющей напряженности магнитного поля и направление максимума тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля, по которым вычисляется величина внутренних напряжений.

Дополнительно можно одним из известных способов измерить расстояние от поверхности исследуемого объекта до зоны аномальных внутренних напряжений, вычислить величину энергии, накопленной в этой зоне, по которой можно судить о степени активности зарождения и роста трещин.

Задачами, на решение которых направлен предполагаемый аппарат, являются получение количественных характеристик напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов (преимущественно ферромагнитных металлов) при одновременном повышении чувствительности, точности и достоверности результатов за счет использования собственных магнитных полей, создаваемых микродефектами структуры - дислокациями и их скоплениями.

Описываемый способ обеспечивает получение количественных характеристик внутренних напряжений, количественной информации о степени опасности или активности зарождающихся и развивающихся трещин, реконструкцию скалярных и векторных полей распределения внутренних напряжений, а так же возможность прогнозирования динамики изменения напряженно-деформированного состояния трубопровода в реальных условиях эксплуатации, за счёт проведения повторных измерений, через определенный период эксплуатации исследуемого объекта, сравнивают поля распределения внутренних напряжений и по разности значений напряжений оценивают скорость деградации материала, а по характеру изменения полей определяют зону и направление возможного разрушения.

Реализуется способ путем пропуска внутритрубного инспекционного прибора по трубопроводу, где он электромагнитно соединен с внутренней поверхностью трубы при помощи датчиков. Во время прохождения сигналы изменяются вместе с локализованной магнитной проницаемостью стенок трубопровода, данные о расположении изменения магнитной проницаемости вырабатываются и записываются в блок записи сигналов.

После прохождения данные о расположении изменений магнитной проницаемости используются для установки, в каком соотношении находятся сигналы и их местоположение на стенках, для установл ения точного местонахождения напряжения в стенке трубопровода. То есть, перемещая датчик напряженности магнитного поля по поверхности исследуемого объекта, по показаниям прибора находится глобальный или локальный максимум и измеряется значение нормальной составляющей напряженности – и тангенциальной составляющей напряженности .

Поскольку дислокация или их скопление является магнитным диполем, то сила, действующая на концы диполя - границы дефекта элемента кристаллической структуры - края будущей трещины, определяется следующей формулой:

где - площадь поверхности, пронизываемая магнитным потоком;

- проекция магнитной индукции на нормаль к поверхности изделия в зоне максимума напряженности, причем:

магнитную проницаемость вычисляют по формуле:

где - абсолютная магнитная проницаемость вакуума.

Но поскольку эта поверхность является поверхностью, на которую действует сила магнитного поля, то можно определить величину проекции напряжения, действующего в зоне дислокации или их скопления:

Таким образом, получается количественная оценка величины внутренних напряжений, действующих в зоне зарождающегося или растущего дефекта. В точках, определяемых заданной или выбранной координатной сеткой, можно построить скалярное поле распределения внутренних напряжений.

Предлагаемый аппарат относится к диагностике состояния материалов и конструкций из ферромагнитных материалов. Устройство содержит соединенные между собой два измерительных модуля и служебный модуль. Измерительный модуль выполнен для измерения напряженности собственных магнитных полей, создаваемых в металле трубы скоплениями дислокаций и двойников, зародышей дефектов.

Измерительный модуль включает в себя блоки датчиков нормальной и тангенциальной составляющих напряженности магнитного поля, многоканальный преобразователь входных сигналов. Каждый из блоков датчиков содержит два датчика измерения тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля и датчик нормальной составляющей. Аппарат может быть снабжен модулем ультразвуковой диагностики. Устройство обеспечивает получение количественной информации о степени опасности или активности зарождающихся трещин.

1 – сердечник из ферромагнитного материала, 2 – обмотка,

3 – датчик магнитной индукции, 4 – трубопровод.

Рисунок 2.1.1. Датчики составляющих напряженности магнитного поля

Измерительная секция содержит измерительный пояс из пробников (преобразователей). Каждый пробник содержит П-образный магнитопровод, изображенный на рисунке 2.1.1, с обмоткой возбуждения и измерительной обмоткой. Полюса магнитопровода направлены к стенкам трубы, а измерительная обмотка располагается между полюсами, в зоне намагничивания и в непосредственной близости к стенке трубы.

Так как расположенные по кругу преобразователи, одинаково перпендикулярно ориентированные к внутренней поверхности трубы, не позволяют выявлять трещины в металле, то магнитопроводы расположены попарно взаимно перпендикулярно друг другу. Магнитный модуль в таком устройстве способен обнаружить зарождающие трещины и де фекты типа расслоений, лежащих в плоскостях, параллельных силовым линиям создаваемого магнитного поля, за счет определения тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля.

Для расчета максимального значения тангенциальной составляющей - , измерить ее величину и угол между направлением максимума тангенциальной составляющей и одной из осей используемой системы координат. При этом вектор напряженности магнитного поля определяется модулем - и направляющими углами - и . Для вычисления модуля - и угла в плоскости, нормальной к поверхности обследуемого объекта, - используют следующие формулы:

Затем, проведя вычисления, аналогичные приведенным выше, можно получить полные характеристики вектора внутреннего напряжения в отдельной точке (локальной зоне) и построить векторные поля распределения внутренних напряжений в исследуемом изделии.

В процессе перемагничивания контролируемого участка стального трубопровода во взаимно перпендикулярных направлениях в измерительных обмотках преобразователя наводится электродвижущая сила, пропорциональная изменению магнитного потока в изде лии, в разных направлениях. Если из-за внутренних напряжений в изделии существует магнитная анизотропия, то сигналы с измерительных обмоток будут отличаться по величине, пропорциональной величине внутренних механических напряжений.

С ростом величины механических напряжений в области упругой деформации тела сигнал индикатора линейно возрастает. В области пластической деформации тела рост сигнала прекращается, и происходит интенсивное уменьшение его амплитуды с дальнейшим ростом величины механических напряжений.

Зазор между преобразователем и поверхностью трубопровода может меняться от 0,5 до 2,5 мм. Оценка величины механических напряжений по измеренному сигналу аппарата осуществляется по диаграмме зависимости показаний прибора от величины механических напряжений в теле, полученной предварительно в лабораторных условиях.

Таким образом, поставленная задача решается тем, что многосекционный внутритрубный снаряд для диагностики напряженно-деформированного состояния трубопровода, содержит последовательно сочлененные секции, две из которых является измерительной секцией, каждая секция содержит цилиндрический корпус, на торцах которого расположены опорно-двигательные элементы, измерительная секция содержит намагничивающую систему, обеспечивающую намагничивание стенок трубопровода слабым магнитным полем и выполненную в виде установленных на корпусе двух намагничивающих поясов, состоящих и взаимно перпендикулярных магнитопроводников.

Дополнительно, возможен вариант, когда в устройстве для диагностики трубопроводов измерительный модуль снабжен многоканальным измерителем магнитной проницаемости металла трубы с собственными датчиками, количество которых равно количеству блоков датчиков напряженности магнитного поля и которые установлены в непосредственной близости от последних на корпусе модуля по окружности так, чтобы в процессе диагностики датчики измерителя магнитной проницаемости находились за блоками датчиков напряженности магнитного поля.

Характеристики

Список файлов ВКР