г. Уфа
 
Наши контакты:
(347) 253-98-89 (347) 286-53-89
et-ural@yandex.ru
Система неразрушающего контроля механических напряжений в металлических конструкциях

Цифровая система неразрушающего контроля на эффекте Баркгаузена

 

В настоящее время специалисты нашего предприятия проводят заключительные испытания опытного образца оборудования для контроля механических напряжений и напряженной упругой деформации внутри металлических конструкций: ферм, каркасов, резервуаров, емкостей и трубопроводов.

Метод основан на эффекте практически прямой корреляции между интенсивностью магнитных шумов Баркгаузена и механическим напряжением в стали. Эффект шумов (магнитных скачков) Баркгаузена связан с дискретностью (скачкообразным изменением) намагниченности ферромагнитных материалов под воздействием изменяющегося магнитного поля. Изменение магнитного момента каждого отдельного домена в структуре металла происходит практически мгновенно по достижении внешнего магнитного поля определенного уровня. Таким образом, изменение суммарного магнитного поля в конкретной точке имеет ступенчатый характер, показанный на графике ниже.

Наглядно эффект Баркгаузена можно оценить на этом видео:
http://www.youtube.com/watch?v=BLXVLDysroY

Впоследствии было открыто явление изменения интенсивности шумов Баркгаузена при приложении механической нагрузки к стальному образцу. Данный эффект лежит в основе приборов для неразрушающего контроля напряженных состояний механических конструкций. В отличие от ранних моделей, разработанных и протестированных на объектах трубопроводного транспорта в конце 90-х годов., наша разработка использует современную элементную базу и все возможности цифровой обработки данных. За основу взят контроллер ZetLab-230 с встроенным 4-канальным 24-разрядным модулем АЦП. Возможность одновременной обработки сигнала с нескольких магнитоиндукционных датчиков, установленных на исследуемой детали, позволяет с высокой точностью определить распределение интенсивностей скачков магнитного момента и даже графически отображать распределение механических напряжений, а также выявлять скрытые дефекты в металле, такие, как частица шлака, инородные включения, каверны и пр. Несомненно, данная разработка может быть использована для контроля и диагностики строительных конструкций, резервуаров под давлением, оборудования и механизмов. С её помощью можно заранее выявлять опасные ситуации и предотвращать развитие аварийных ситуаций.


Известно довольно много методов определения деформаций и напряжений в элементах металлоконструкций: с использованием тензочувствительных покрытий, оптически чувствительных покрытий, делительных сеток и муаровых полос; поляризационно-оптический, ультразвуковой и рентгеновский методы; голографическая интерферометрия, тензометрия и виброметрия. Трудоемкость измерений и получение лишь качественной картины распределения напряжений делают эти методы непригодными для измерения остаточных напряжений в условиях эксплуатации трубопроводов.
Одними из перспективных неразрушающих методов измерения и контроля механических напряжений являются электромагнитные методы, основанные на связи магнитных характеристик ферромагнитных материалов с механическими напряжениями.


При намагничивании и перемагничивании ферромагнетиков намагниченность не является плавной функцией поля, а представляет собой набор дискретных изменений в виде необратимых скачков намагниченности различной величины, которые были названы скачками Баркгаузена.
Появление скачков Баркгаузена (СБ) тесно связано со взаимодействием доменных границ с дефектами, имеющими различную природу (поры, включения, дислокации, границы зерен, градиенты напряжений, шероховатости поверхности и др.), поэтому регистрируемые параметры потока тесно связаны с изменениями структурного состояния ферромагнетиков. Это говорит о том, что эффект Баркгаузена является чувствительным индикатором изменений химического и фазового состава, структурного и напряженного состояний ферромагнетика и может быть использован для анализа изменения свойств изделий в процессе эксплуатации.


Скачки намагниченности прежде всего связаны со взаимодействием смещающихся в процессе намагничивания междоменных границ 1800 или 900 типа с локальными магнитными неоднородностями ферромагнитного кристалла – неферромагнитными включениями, участками неоднородности внутренних остаточных напряжений, неровностями поверхности, создающими реальную магнитную субструктуру и магнитные поля рассеяния.


Изменение магнитных свойств ферромагнитных материалов определяется переориентацией (подвижностью) магнитных доменов в процессе намагничивания или перемагничивания.


Одноосные упругие деформации приводят к существенной перестройке типа магнитной структуры (переход от 900 к 1800), изменяют размеры отдельных доменов и вид междоменных границ. Перестройка структуры существенно изменяет электромагнитные характеристики материала (в частности, величины продольной и поперечной магнитострикции, магнитной проницаемости), а также параметры скачков Баркгаузена. В сталях с положительной магнитострикцией при сжатии наблюдается уменьшение уровня скачков Баркгаузена, а при растяжении они растут.


Пластическая деформация, внося в ферромагнетик дефекты кристаллической структуры (зоны неоднородных внутренних деформаций, полосы скольжения, двойниковые прослойки и т.п.), измельчает магнитную доменную структуру (уменьшает размеры основных и увеличивает количество замыкающих доменов), то есть затрудняет процессы смещения основных доменных границ. При этом характер возникающих дефектов и особенности их распределения в кристалле, задавая определенный вид и поведение магнитных доменов, обуславливают соответствующие изменения электромагнитных свойств, в том числе параметров скачков Баркгаузена.


Таким образом, доменная структура претерпевает значительные изменения при воздействии на ферромагнетик упругих и пластических деформаций. Это, в свою очередь, определяет протекание соответствующих процессов необратимого смещения доменных границ, то есть формирования скачков Баркгаузена.


Результаты изучения эффекта Баркгаузена (ЭБ) показали принципиальную возможность применения данного метода и сопутствующих ему магнитных шумов для неразрушающего контроля напряжений в ферромагнитных материалах и изделиях из них. Детальное магнитооптическое наблюдение за изменением доменной структуры при растяжении ферромагнетика с одновременным измерением ЭДС от скачков Баркгаузена (СБ) показало, что характер СБ зависит от перестройки доменной структуры и определяется знаком и величиной приложенного и остаточного напряжений и константой магнитострикции.


Было установлено, что с увеличением растягивающей нагрузки в стальных образцах величина магнитного шума от СБ возрастает, при сжатии - уменьшается. В области упругих напряжений эта зависимость линейна. При достижении предела упругости электродвижущая сила от скачков Баркгаузена (СБ) уменьшается. Разница между показаниями прибора до нагружения и после может характеризовать величину остаточных напряжений. Эксперименты показали, что чувствительность эффекта Баркгаузена при контроле как упругих, так и пластических деформаций намного выше, чем в случае использования остаточной индукции или коэрцитивной силы. С помощью эффекта Баркгаузена можно контролировать не только одноосные, но и более сложные напряжения и выявлять их направления.

Принцип работы устройства основан на использовании магнитоупругого эффекта - изменения магнитных свойств ферромагнитного металла под действием механических напряжений. Ферромагнитные материалы состоят из небольших областей (доменов), обладающих конечной намагниченностью, и отделенных друг от друга стенками. Внешнее магнитное поле, приложенное к магнитному материалу, заставляют доменные стенки перемещаться. Из-за структурных неоднородностей и неоднородностей внутренних напряжений движение доменных стенок под действием магнитного поля происходит скачкообразно. При этом приращение намагниченности вдоль поля также будет изменяться скачкообразно. Если рядом с испытуемым образом поместить индукционную катушку, то в ней при этом будет наводиться шумоподобный сигнал, получивший название "шум Баркгаузена".
Спектр шума Баркгаузена в сталях находится в области частот от 1 кГц до 250 кГц. Из-за демпфирующего действия вихревых токов Фуко глубина контролируемой области (глубина измерения) с использованием шумов Бакгаузена определяется частотным диапазоном анализируемого шумового сигнала, а также электрической проводимостью и магнитной проницаемостью материала. На практике глубина измерения может находиться в диапазоне от 0.01 до 2 мм.
 

В

В результате магнитоупругого взаимодействия в материалах, имеющих положительную магнитострукцию (железо, различные типы сталей), растягивающие напряжения увеличивают интенсивность шумового сигнала Баркгаузена, а сжимающие напряжения уменьшают его (Рис.2). Знание этого свойства может быть использовано для определения величины напряжений по изменению интенсивности шумового сигнала, а также определить направление распределения внутренних напряжений.


Другой характеристикой материала, влияющего на амплитуду шумового сигнала Баркгаузена, является металлургическая структура материала. Вследствие этого практическое использование магнитошумового метода для измерений внутренних напряжений позволяет также котролировать параметры (марку) стали.

Приглашаем к сотрудничеству!
                            

 

 

 

 

 
  ЭнергоТехнологии-Урал © 2013