Метод визначення напружено-деформованого стану металоконструкцій (Коерцитиметри)

Контроль напружено-деформованого стану (НДС) сталевих металоконструкцій є одним з визначальних чинників в оцінці надійності підйомної споруди в процесі експлуатації.

З впровадженням у виробництво зварних металоконструкцій необхідність оцінки ПДВ ставала все більш актуальною на всіх стадіях життєвого циклу виробу, так як темпи старіння обладнання значно випереджають темпи технічного переозброєння.

За останні двадцять років через фізичного старіння більше 85% кранового парку вийшли за межі нормативного терміну експлуатації, що надає загрозу промислової безпеки. Більш того, після розвалу СРСР і наслідків фінансових і економічних криз замість збанкрутілих підприємств на звільнених площах з'явилися нові, але з іншим профілем виробництва, власники яких стали основними споживачами на «вторинному ринку» дешевої кранової техніки, невідомо скільки років була в експлуатації.

В якості одного з напрямків вирішення цієї проблеми, на підставі багаторічних досліджень, набула поширення практика діагностики металоконструкцій підйомних споруд при експертизі промислової безпеки на основі вимірювання магнітної характеристики металу - коерцитивної сили (Hc).

Теоретичні основи оцінки напружено-деформованого стану несучої металоконструкції крана

1. Взаємозв'язок магнітних і механічних властивостей зі структурним станом сталей і сплавів

При оцінці напружено-деформованого стану металоконструкцій кранів в основу методик магнітної діагностики (неруйнівних методів контролю) покладені взаємозв'язок і кореляційні залежності магнітних, електромагнітних і механічних властивостей сталей і сплавів, які визначаються структурним станом, хімічним і фазовим складами речовини.

З усіх магнітних властивостей до структурно-чутливих характеристик відносяться крива намагнічування, форма і площа петлі магнітного гістерезису (мається на увазі приватний усталений цикл, для чого роблять багаторазове комутування магнітного поля від + Нmах до-Нmах) та їх основні параметри: коерцитивної сила Hc; залишкова індукція Вг, (Н) або залишкова намагніченість Мг (Н), магнітна проникність (сприйнятливість) речовини Мг, і магнітна проникність кривої намагнічування (Мн, Мmах).

Структурно-чутливі магнітні характеристики анізотропни; вони чутливі до кристалографічної структури, змінам мікро і макронапруг, до мікроструктури, форми і розмірів.

Величина коерцитивної сили Hc залежить від обсягу і розмірів (дисперсності) включень.

Наприклад: магнітні та електричні властивості мікроструктури сталей залежать від вмісту вуглецю і легуючих елементів.

Підвищення вмісту вуглецю призводить до збільшення коерцитивної сили, електроопору та зниженню намагніченості насичення.

Наявність в сталях 09Г2С, 20ХН3А легуючих елементів також призводить до збільшення (Сг, Si, Ni, Сu) або зменшенню (Мn) коерцитивної сили.

Аналізуючи вплив різних структурних параметрів на гальмування ковзаючих дислокацій і затримку зміщення доменних меж, можна відзначити спільність їх впливу на механічні і магнітні властивості.

Так, підвищення в структурі сталі щільності дислокацій (N) супроводжується збільшенням міцності і значень коерцитивної сили.

Слід зазначити, що σ0, 2 (умовна межа плинності) і Hc пропорційні $\sqrt{N}$ .

Підвищення мікронапружень в сталі призводить до зростання σ0, 2 і Нc.

Збільшення обсягу перлитної складової в структурі сталі супроводжуються підвищенням Нc і σ0, 2.

Показовим є той факт, що коерцитивна сила і умовна межа плинності пропорційні обсягу включень у сталі; з теорії Керстена Нс~v²/₃

та експериментальні дані для σ0, 2 дають таку ж залежність.

Збільшення розміру зерна (d) супроводжується зниженням як σ0, 2 так і Hc; правда, H_c~1/d, ${\sigma }_{\mathrm{0,2}}\sim 1/\sqrt{d}$ .

Таким чином, неруйнівний магнітний метод контролю застосовується за наявності стійких парних або множинних імовірнісних співвідношень між контрольованими показниками якості металоконструкції та магнітними характеристиками сталі.

Кореляційний зв'язок між магнітними характеристиками і механічними властивостями - показниками якості (σ0, 2; σB; твердість; величина зерна; показники деформаційного зміцнення і нерівномірної пластичної деформації тощо) визначається на підставі інформаційного масиву для кожної марки сталі або груп марок сталей, відрізняються в основному вмістом вуглецю і «магніто-жорсткими» або «магніто-м'якими» легуючими елементами.

 2. Фізичні основи магнітного контролю.

 Неруйнівний магнітний контроль механічних властивостей феромагнітних матеріалів заснований на кореляції між магнітними і фізико-механічними властивостями, коли вони одночасно залежать від одних і тих же факторів: хімічного складу, режиму термічної обробки, пластичної деформації, мікро-і макронапруг, розташування дислокацій та ін

У разі вуглецевих малолегованих сталей перераховані вище фактори одночасно і однозначно впливають на механічні і магнітні властивості металу. Тому неруйнівний магнітний метод може успішно застосовуватися для контролю напружено-деформованого стану металу, рівня пластичної деформації і втомних пошкоджень найбільш навантажених вузлів металоконструкцій, які працюють в умовах тривалого циклічного навантаження до таких належать їздові балки двотавра і елементи опорних вузлів.

Мікро-та макродефекти структури, накопичуючись в металі в процесі циклічного навантаження при розтягуванні, стисненні, вигині або крученні, як би збирають і зберігають інформацію, однозначно пов'язану з максимальними величинами діючих навантажень, в результаті чого структура металу сталевої деталі конструкції виконує функції своєрідного запам'ятовуючого датчика пікового значення сили. А ряд магнітних параметрів, однозначно пов'язаних з кількістю порушень структури металу, таким чином, є своєрідним відображенням силового режиму роботи конструкції.

В якості основного контрольованого магнітного параметра була обрана величина коерцитивної сили Hc, так як вона однозначно пов'язана із залишковою пластичноїю деформацією εpl при статичному і циклічному навантаженні металоконструкцій в процесі експлуатації.

За своєю природою Hc і εpl є взаємопов'язаними параметрами, зростаючими при циклічному навантаженні, як це можна бачити при аналізі магнітних і деформаційних петель гістерезису, малюнок 1. За своїм фізичним змістом коерцитивної сила Hc - це напруженість магнітного поля, необхідна для повного розмагнічування попередньо намагніченого до насичення феромагнетика (при В = 0 щодо граничної петлі гістерезису), і може бути представлена, як:

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

де:

В	залишкова індукція
К	циклічний коефіцієнт напруги;
n	циклічний коефіцієнт зміцнення;
E	модуль пружності

Залишкова деформація εpl - амплітуда необоротної деформації - визначається аналогічними параметрами:

ε_pl=σ/E+(σ/K)^1/n (2)

де:

σ	амплітуда навантаження
E	модуль пружності

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

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

Нс	коерцитивної сила	εpl	залишкова деформація
Вост	залишкова індукція	σa	амплітуда навантажень
К	циклічний коефіцієнт напруги	n	циклічний коефіцієнт зміцнення

Малюнок 1. Магнітна і деформаційна петлі гістерезису при МЦУ

При наявності кореляційних залежностей між Hc і εpl за величиною коерцитивної сили можна вести контроль накопичення пошкоджень в металі, пружно-пластичної деформації металу, а також прогнозувати втомну довговічність металу.

Практично всі види сталей, застосовуваних при конструюванні несучих елементів вантажопідіймальних машин і механізмів, відносяться до класу разупрочнених, у яких <0,1, а величина Нс в стані поставки порівняно невисока: від 1,5 до 10 А / см. Для таких сталей, як правило, існує стійка кореляція магнітних і фізико-механічних властивостей з коефіцієнтом кореляції не гірше, ніж 0,9. Тому магнітний метод може забезпечити оперативний контроль структурного стану несучих елементів металоконструкцій кранів.

Номограми навантаження для сталей 09Г2С, 20ХН3А, Ст3 приведені на малюнку 2.

Малюнок 2. Номограми для визначення величин напруги за значеннями коерцитивної сили в конструкціях із сталей Ст 3, 09Г2С, 20ХН3А

 

3. Магнітна структуроскопія і контроль напружено-деформованого стану металоконструкцій підйомних споруд.

За аналогією з контролем механічних властивостей сталей на основі діаграми навантаження в методиці магнітного контролю введені наступні базові параметри стану металу:

${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^0$	початкове значення коерцитивної сили, при відсутності внутрішніх напружень воно мінімально для будь-якої марки стали
${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{T}}$	відповідають рівню внутрішніх напружень, рівних фізичної межі плинності (σT).
${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{B}}$	відповідає досягненню межі міцності сталі (σB).
${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{N}}$	відповідає досягненню межі втоми (σ0) при МЦУ.

В зависимости от принятых в нормативно-технической документации критериев при расчете конструкционной прочности несущих элементов критические значения коэрцитивной силы могут быть установлены на уровне предела текучести ${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{T}}$ или предела прочности ${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{B}}$ .

Характерно, что при оценке ресурса металлоконструкции, значения ${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{N}}$ и ${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{B}}$ совпадают, так как предельное состояние металла по величине коэрцитивной силы одинаково для циклического и статического нагружения.

В соответствии с МВ 0.00-7.01-05 контроль состояния элементов металлоконструкций осуществляется на основе номограмм, построенных для каждого типа стали со статистической обработкой результатов по ГОСТ 30415-96.

Изменение величины коэрцитивной силы в металле, как указывалось выше, производится магнитным структуроскопом КРМ-ЦК-2М, разработанным НПФ "СНР" и МНПО "СПЕКТР" для диагностирования объектов Госпромгорнадзора МЧС Украины и Госгортехнадзора России. Структуроскоп прошел Межведомственную комиссию имеет Сертификат соответствия метрологическим нормам №0000482. При наличии корреляционных зависимостей по ГОСТ 30415-96 прибором можно вести контроль напряжений, деформаций и ресурса стальных металлоконструкций.

Количественными критериями оценки состояния металлоконструкции служат максимальные значения коэрцитивной силы ${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\max }$ в расчетных элементах подъёмных сооружений в процессе эксплуатации. Повышение H_c по сравнению с исходным значением ${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^0$ свидетельствует о росте остаточных внутренних напряжений и деформаций. С переходом в упруго-пластическое состояние ( ${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\max }$ = ${\mathrm{H}}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{T}}$ ) металл начинает терять запас пластичности, который окончательно исчерпывается на стадии разупрочн

Залежно від прийнятих в нормативно-технічній документації критеріїв, при розрахунку конструкційної міцності несучих елементів, критичні значення коерцитивної сили можуть бути встановлені на рівні межі текучості HTc або межі міцності HBc.

Характерно, що при оцінці ресурсу металоконструкції, значення HNc і HBc збігаються, так як граничний стан металу за величиною коерцитивної сили однаково для циклічного і статичного навантаження.

Відповідно до МВ 0.00-7.01-05 контроль стану елементів металоконструкцій здійснюється на основі номограм, побудованих для кожного типу сталі зі статистичною обробкою результатів за Державним стандартом 30415-96.

Зміна величини коерцитивної сили в металі, як зазначалося вище, проводиться магнітним структуроскопії КРМ-ЦК-2М, розробленим НВФ "СНР" і МНПО "СПЕКТР" для діагностування об'єктів Держпромгірнагляду МНС України і Держнаглядохоронпраці України. Структуроскоп пройшов Міжвідомчу комісію має Сертифікат відповідності метрологічним нормам № 0000482. При наявності кореляційних залежностей за Державним стандартом 30415-96, приладом можна вести контроль напруг, деформацій і ресурсу сталевих металоконструкцій.

Кількісними критеріями оцінки стану металоконструкції служать максимальні значення коерцитивної сили Hmaxc в розрахункових елементах підйомних споруд в процесі експлуатації. Підвищення Hc в порівнянні з вихідним значенням H0c свідчить про зростання залишкових внутрішніх напружень і деформацій. З переходом в пружно-пластичний стан (Hmaxc = HTc) метал починає втрачати запас пластичності, який остаточно вичерпується на стадії разупрочненя і переходу до руйнування, коли (Hmaxc = HBc). Тому весь прогнозований термін роботи підйомної споруди (ПС) може бути розділений на етапи по мірі накопичення залишкових деформацій і мікроушкоджень в найбільш навантажених елементах металоконструкцій. МВ 0.00-7.01-05 передбачені три режими експлуатації ПС:

1. режим "надійної" експлуатації при Hmaxc << HTc, коли метал працює в пружній області діаграми навантаження і максимальні напруження не перевищують фізичної межі пружності сталі.
2. режим "контрольованої" експлуатації при Hmaxc ≤ HTc, коли окремі елементи металоконструкції працюють в пружно-пластичній області діаграми навантаження, а максимальні залишкові напруги досягають фізичної межі плинності сталі.
   При роботі в режимі "контрольованої" експлуатації необхідні:
   • організація постійного візуального контролю за елементами металоконструкцій, що потрапили в область пружно-пластичних деформацій;
   • при проведенні чергових повних технічних оглядах (ПТО) проводити магнітний (коерцітіметрічний) контроль з фіксацією результатів замірів НС в паспорті ПС, що дозволить відстежувати динаміку розвитку втоми напружено-деформованого стану металу.
3. "критичний" режим експлуатації при HTc ≤ Hmaxc ≤ HBc, коли окремі елементи ПС працюють в пружно-пластичній та пластичній областях діаграми навантаження і максимальні напруги перевищують межу текучості сталі, в результаті чого з'являються втомні тріщини.
   При роботі в "критичному" режимі необхідно:
   • призвести посилення елементів, у яких Hmaxc ≥ 0,9 HBc, так як в кілька разів зростає технічний ризик руйнування;
   • виключити можливість перевантаження ПС;
   • обмежити термін наступного обстеження до 1 року.

Нормативною базою магнітного (коерцітіметрічного) контролю (МТКС) є: Міжнародний стандарт ІСО 4301, міждержавний стандарт ДСТ 30415-96 (зі змін. 1), методичні вказівки РД ІКЦ «Кран» 07/97/02 (Росія), МВ 0.00-7.01 -05 (Україна).

З 2012 р. проведення магнітного коерцітіметрічного контролю введено як обов'язковий етап робіт при проведенні експертного обстеження несучих елементів металоконструкцій портальних кранів, які відпрацювали нормативний термін служби (ОМД 22460848.003-2012).