CC BY
26
УДК 621.002.56 Степанов Александр Петрович,
к. т. н., доцент, декан электротехнического факультета ИрГУПС, тел.: (3952) 638-338, e-mail: stap@irgups.ru Степанов Максим Александрович, соискатель кафедры «Прикладная механика» ИрГУПС, тел.: (3952) 638-343, e-mail: Stepanov_MA@irgups.ru
СПОСОБ МАГНИТНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ПРОТЯЖЁННЫХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
A.P. Stepanov, M.A. Stepanov
EXTENDED FERROMAGNETIC STRUCTURES MAGNETIC
INSPECTION METHOD
Аннотация. Разработан способ магнитной дефектоскопии протяженных длинномерных конструкций, изготовленных из однородного ферромагнитного материала и имеющих простую симметричную форму поперечного сечения по всей длине. Представленный способ разработан специально для применения в условиях промышленного производства и на транспорте.
Ключевые слова: магнитная дефектоскопия, протяженные конструкции, ферромагнитный материал.
Abstract. The method is designed for magnetic defectoscopy of lengthy constructions made from uniform ferromagnetic material, having simple symmetrical form of cross-sections of the profile on the whole length. The method is represented and designed specially for using in the circumstances of commercial production and transport.
Keywords: magnetic defectoscopy, lengthy constructions, ferromagnetic material.
Магнитная дефектоскопия изделий из однородного ферромагнитного материала является одним из эффективных физических методов диагностирования в них различного рода дефектов внутреннего и поверхностного характера, влияющих на параметры прочности, жесткости и работоспособности изделия в целом.
В инженерной практике известно достаточное количество подходов в реализации магнитной дефектоскопии. Например, широко используются технологии с применением ферромагнитных порошков и суспензий, зарекомендовавших себя при изучении локальных дефектов. Однако их применение ограничивает эффективность в применении метода. Это связано главным образом с резко возрастающей трудоемкостью и стоимостью выполнения процесса дефектоскопии при увеличении габаритных размеров и количества изделий [1].
В этой связи получили развитие технологии магнитной дефектоскопии на основе сканирования поверхности изделий магнитометрами или другими соответствующими приборами [2]. Представленный подход в значительной степени расширил возможности метода. Однако в реальной производственной практике существует широкий круг ферромагнитных изделий и конструкций со значительной проверяемой поверхностью, при большом потоке проверяемых экземпляров. Для таких обстоятельств эффективность процедуры магнитной дефектоскопии определяется автоматизацией и мобильностью её технологического процесса, ускорение которого позволит удешевить, а главное, повысить уровень информативности диагностирования представленных объектов деформирования.
В работе [4] при участии авторов разработан новый способ дефектоскопии изделий (в дальнейшем способ), изготовленных из ферромагнитного однородного материала, имеющих симметричную форму сечений профилей, центры тяжести которых лежат на продольной оси изделия (например, рельса), при этом в теле изделия может быть указана содержащая эту ось плоскость (далее плоскость отсчёта), след которой в каждом поперечном сечении перпендикулярен оси симметрии профиля. Например, для изделий с простой геометрической формой сечения (круг, квадрат, прямоугольник и др.) ось симметрии профиля и след плоскости отсчёта в сечении - взаимозаменяемы.
Поставленная задача решается путём намагничивания изделия с последовательным образованием двух явно выраженных полюсов магнитного поля на оси симметрии профилей сечений по всей длине исследуемого образца, как следует из теоретического рассмотрения [3]. В этом случае линия нуля напряженности магнитного поля перемещается в плоскости отсчёта. Наличие в исследуе-
иркутским государственный университет путей сообщения
мом образце дефектов, вызванных неоднородностью материала (например, раковина) или нарушением формы профиля, заложенными при изготовлении изделия, либо возникшими в процессе эксплуатации, обуславливает появление местной магнитной аномалии, значение которой выражается величиной отклонения линии нуля напряженности (индукции) магнитного поля от плоскости отсчёта. Оценка степени значимости дефекта осуществляется путем сравнения зарегистрированного отклонения с нормируемым для данного изделия значением или с характеристикой эталонного образца.
На практике способ реализуется следующим образом. При намагничивании исследуемого объекта образуются два явно выраженных магнитных полюса на выбранной оси симметрии профиля сечения. Длина участка намагничивания объекта дефектоскопии выбирается таким образом, чтобы в зоне работы датчика магнитометра было получено достаточно сильное однородное магнитное поле, отвечающее чувствительности средств измерения. Разрешающей способностью магнитометра, привлекаемого к дефектоскопии, определяется потребная степень намагничивания или остаточная напряженность магнитного поля. Датчик магнитометра перемещают вдоль боковой поверхности объекта дефектоскопии по следу плоскости отсчёта на образце. По показаниям магнитометра определяют положение линии нуля напряженности магнитного поля изделия, которая, при отсутствии дефектов формы сечения и зон местной неоднородности материала, лежит в плоскости отсчёта. Наличие дефектов в сечениях объекта дефектоскопии регистрируется по изменению показаний магнитометра при отклонении линии нуля напряженности магнитного поля от следа плоскости отсчёта. Шкала показаний магнитометра предварительно тарируется по наличию характерных дефектов в опытных образцах объектов дефектоскопии, в соответствии с отвечающими этим дефектам значениями отклонений линии нуля напряженности магнитного поля от следа плоскости отсчёта.
Относительное перемещение датчика магнитометра и объекта дефектоскопии может быть обеспечено при фиксированном положении того или другого, что определяется условиями осуществления технологического процесса: прежде всего, соотношением габаритных размеров объектов и средств дефектоскопии и условиями обеспечения относительного перемещения.
Технический результат реализации способа заключается в возможности обеспечения им оперативного выполнения процесса дефектоскопии
с помощью мобильных технических средств и средств автоматизации.
Способ был проверен на стальных образцах, не подвергнутых обработке, изменяющей однородность доменных структур по объему образца, в том числе и с искусственным дефектом. На рис. 1 показано магнитное поле пластины толщиной 10 мм, вырезанной по сечению рельса. Пластина намагничена постоянным магнитом вдоль большей оси симметрии пластины. Измерения с помощью магнитометра дефектоскопического МФ-23ИМ показали совпадение нулевой линии напряженности (индукции) магнитного поля образца с геометрической осью центра тяжести площади фигуры образца и с её физической горизонтальной линией центра тяжести (линии показаны на рисунке в виде одной линии), т. е. они совпадают со следом плоскости отсчёта.
Рис. 1. Магнитное поле пластины, вырезанной по сечению рельса
Пластина не имеет дефектов. Стальной пруток (марка 40ХН) с диаметром сечения 70 мм и длиной 1500 мм был намагничен поперечным однородным магнитным полем вдоль вертикальной оси сечения образца с помощью постоянного магнита (система намагничивающая МСН14).
На рис. 2 показано совпадение нулевой линии напряженности магнитного поля образца с геометрической осью центра тяжести площади фигуры сечения, с физической линией центра тяжести сечения образца и с продолжением этой линии вдоль образца в зоне однородного намагничивания прутка, т. е. также совпадает со следом плоскости отсчёта на образце.
В этом же образце с помощью сверла был сделан искусственный дефект следующих размеров: диаметр 5 мм, длина 25 мм, как показано на рис. 3. Затем образец был намагничен, как и в
2 - продольная ось образца; 3 - плоскость отсчёта; 4 - ось симметрии в поперечном сечении образца; 5 - след плоскости отсчёта на образце; 6 - линия нуля напряжённости магнитного поля
Б
Рис. 3. Образец с искусственным дефектом. Остаточная индукция В показана в мТл. 1 - опытный образец; 2 - продольная ось образца; 3 - плоскость отсчёта; 4 - ось симметрии в поперечном сечении образца; 5 - след плоскости отсчёта на образце; 6 - линия нуля напряжённости магнитного поля; 7 - имитация дефекта (раковина)
предыдущем случае. Измерения остаточной индукции показали, что линия нулевой напряженности (индукции) на боковой поверхности образца поднялась выше почти на 10 мм от его продольного следа плоскости отсчёта (боковой линии симметрии). На рис. 1 и 2 на осях симметрии в неко-
торых характерных точках указанны значения индукции В в мТл.
Следует отметить, что получить два явно выраженных магнитных полюса вдоль оси симметрии поперечного сечения протяжённой конструкции, в зависимости от формы этого сечения, можно с помощью постоянного тока, пропускае-
иркутский государственный университет путей сообщения
мого вдоль протяжённой конструкции. В работе [5] с помощью цифрового моделирования получена картина магнитного поля поперечного сечения рельса (рис. 4), которая совпадает с картиной магнитного поля, показанного на рис. 1.
Рис. 4. Картина магнитного поля сечения рельса Р65 при плотности тока ] = 10000 А/м2.
Значения модуля вектора индукции В указаны в Тл
Указанное свойство позволяет, например, наряду с другими способами дефектоскопии рельсов использовать способ для дефектоскопии рельсового пути без его разборки.
В дальнейшем работа по внедрению способа будет направлена на оценку его возможностей по обнаружению микротрещин. Также сканирование геометрии и реальных свойств материала изделий представляется возможным для использования в построении конечно элементных моделей представленных объектов и их анализа на предмет оценки влияния дефектов на прочностные и другие свойства, определяющие функциональность.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Неразрушающий контроль : справочник : в 8 т. Т. 4 : в 3 кн. : Кн. 1. Акустическая тензометрия / В. А. Анисимов, Б. И. Каторгин, А. Н. Куцен-ко и др.; Кн. 2. Магнитопорошковый метод контроля / Г.С. Шелихов; Кн. 3. Капиллярный контроль / М. В. Филинов / под общ. ред. В. В. Клюева. 2-е изд., испр. М. : Машиностроение, 2006. 736 с.
2. Неразрушающий контроль : Справочник : в 8 т. Т. 6: в 3 кн. : Кн. 1. Магнитные методы контроля / В. В. Клюев, В. Ф. Мужицкий, Э. С. Горкунов, В. Е. Щербинин; Кн. 2. Оптический контроль / В. Н. Филинов, А. А. Кеткович, М. В. Филинов; Кн. 3. Радиоволновой контроль /
B. И. Матвеев / под общ. ред. В. В. Клюева. 2-е изд. испр. М. : Машиностроение, 2006. 848 с.
3. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле : учеб. для электротехн., энерг., приборостроит. спец. вузов. 8-е изд., перераб. и доп. М. : Высш. шк., 1986. 263 с: ил.
4. Пат. № 2387983 Российская Федерация, ЯИ 2 387 983 С1, МПК ООШ 27/82 (2006.01). Способ магнитной дефектоскопии / А. П. Степанов и др.; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщ. №2008143039/28, заявл. 29.10.2008, опубл. 27.04.2010. Бюл. №12. 5 с. : ил.
5. Моделирование магнитных полей железнодорожных рельсов / А. П. Степанов, В. Н. Сало-матов // Транспортная инфраструктура Сибирского региона : материалы междунар. науч.-практ. конф. (Иркутск 12-15 октября 2009 г.) : в 2 т. Т. 1. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2009.
C.38-43.
