М.А. Степанов, А.П. Степанов, А.А. Пыхалов ИрГУПС, г.Иркутск, Россия

УДК 621.002.56
М.А. Степанов, А.П. Степанов, А.А. Пыхалов
ИрГУПС, г.Иркутск, Россия
Реализация и исследование способов магнитной дефектоскопии и
обнаружения внутреннего напряжѐнного состояния стального прямоугольного профиля
Работа посвящена актуальному направлению, связанному с дальнейшим
развитием способов измерения напряжѐнно состояния в материале и обнаружения и оценки дефектов в протяжѐнных ферромагнитных конструкциях, имеющих симметричное сечение относительно какой-либо из осей симметрии этого
сечения, с помощью магнитного поля. Суть способов представлена в патентах
[1-4].
Вдоль испытуемого участка конструкции создаѐтся симметричное магнитное поле относительно оси симметрии геометрической фигуры сечения профиля конструкции, например, с двумя выраженными магнитными полюсами на
оси симметрии. Магнитное поле, симметричное относительно геометрической
фигуры сечения, может создаваться с помощью постоянных магнитов, путѐм их
перемещения по испытуемому участку конструкции, или путѐм пропускания по
нему постоянного тока. После намагничивания контролируемого участка проводится измерение с помощью магнитометра индукции магнитного поля на поверхности конструкции в характерных точках сечений. Характерные точки для
всех сечений остаются одними и теми же, и должны быть попарно симметричны относительно оси (осей) симметрии сечения. Их выбор и число зависит от
фигуры сечения, а также доступности при измерениях, информативности, опыта эксплуатации конструкции и других факторов. При однородности материала
профиля и отсутствии механических напряжений в нѐм окружающее магнитное
поле должно быть симметричным относительно осей симметрии фигуры сечения профиля, поэтому в характерных, попарно симметричных точках, величина
магнитной индукции должна быть одной и той же для всех контролируемых сечений на протяжении выбранного участка профиля конструкции. При нарушении указанных условий окружающее магнитное поле будет не симметричным
относительно характерных точек на поверхности профиля для данного сечения
(сечений), поэтому значения индукции в них будут отличаться друг от друга.
По указанным отклонениям судят о месте, размерах и величине дефекта и (или)
механических напряжений в материале контролируемого участка конструкции.
Реализация и исследование возможности рассматриваемых способов [1-4]
проводится на примере стального прямоугольного профиля без дефекта, длительное время используемого в качестве лабораторного образца в измерителе
деформации ИДТЦ-01. Стальной профиль с размерами 92х35х788 мм состоит
из центральной части (прямоугольный профиль) с размерами 92х5,2х232 мм и
периферийных частей (двутавр), сталь марки СТ45, рис. 1-3. При проведении
опытов использовались измеритель деформации ИДТЦ-01, намагничивающая
система МСН14 и магнитометр дефектоскопический МФ-23ИМ. С помощью
установки ИДТЦ-01 образец закреплялся по концам, сверху образца прикладывалась изгибающая сила F= F1 + F7, которая делится на две равные силы F1 и F7,
сосредоточенные в районе первого и седьмого сечений на расстоянии 125 мм от
центра каждая, силы прилагаются по всей ширине (рис. 1 и 2).
Вид сверху опытного образца
Места приложения сил F1 и F7
F7
F1
Выемка
Оси симметрии
Испытуемый участок профиля
Рис. 1. Вид сверху. Стальной профиль с размерами 92х35х788 мм
состоит из центральной части (прямоугольник) с размерами 92х5,2х232
мм и двух периферийных частей (двутавр), сталь марки СТ45.
Ось симметрии
F1
F7
1
2
3
4
5
6
7
Сечения нанесены через 40 мм
вдоль участка испытания
Рис. 2. Участок испытания (центральная часть профиля) с размеченными
сечениями: центр (4), по три сечения слева и справа от центра через 40
мм. Указаны места приложения изгибающих сил.
Сила F при испытаниях образца может варьироваться. Испытуемый центральный участок образца разбит на семь сечений: центр указан под номером 4,
по три сечения слева и справа от центра через 40 мм (рис.2). По периметру сечений на образце отмечены характерные точки от В1 до В8 (рис. 3).
Перед проведением опытов было проверено отсутствие остаточной намагниченности образца. Затем образец был намагничен с помощью системы
МСН14 по большей оси симметрии сечения путѐм синхронного проведения полюсов магнита N и S (сверху и снизу) вдоль испытуемого участка образца
(рис.3).
В результате опытов была измерена индукция в характерных точках при
отсутствии внешней изгибающей силы F=0 (рис.4-6) и при наличии изгибающей силы F=3 kH (рис. 7-9).
Полюс постоянного магнита N
N
Ось симметрии
B8
Ось симметрии
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
S
Полюс постоянного магнита S
Рис. 3. Сечение участка испытания. Характерные точки на поверхности
образца, в которых измеряется магнитная индукция, после намагничивания
испытуемого участка вдоль большей оси симметрии сечения.
Профиль. F=0.
B1,B2,B3,B4,B5,B6
Индукция В, мТл
4
3
Ряд1
2
Ряд2
Ряд3
1
Ряд4
0
-1
Ряд5
1
2
3
4
5
6
7
Ряд6
-2
Рис. 4. Изгибающая сила F=0. Распределение индукции магнитного
поля в шести характерных точках сечения профиля по длине образца В1,
В2, В3, В4, В5 и В6 соответствует кривым 1, 2, 3, 4, 5 и 6.
Профиль. Распределение индукции B7 и В8 по длине профиля в
характерных точках 7 и 8 в семи сечениях. Внешняя сила
F=0, намагничен вдоль большей оси сечения. Точка 4 середина.
Название оси
6
4
2
Ряд1
Ряд2
0
-2
1
2
3
4
5
6
7
-4
Рис. 5. Изгибающая сила F=0. Распределение индукции магнитного
поля в двух характерных точках сечения профиля по длине образца В7 и В8
соответствует кривым 1 и 2.
Ниже представлен краткий анализ распределения индукции в шести характерных точках сечений профиля, рис.1 и рис. 7. Из графиков видно, что для
каждого сечения профиля индукция в попарно симметричных характерных
точках будет примерно равной. Так кривые распределения индукции по длине
испытуемого участка в попарно симметричных точках В1 и В2, В3 и В4, В5 и В6
практически не отличаются. На рис. 5 и 8 показаны графики распределения индукции в попарно симметричных точках 7 и 8, которые значительно отличаются в каждом сечении друг от друга. Графики разности этих значений ∆В78 = В7В8 по длине испытуемого участка приведены на рис. 6, 9 и 10.
Анализ графиков распределения индукции при нулевой изгибающей силе
представленных на рис. 4, 5 и 6 показывает, что на исследуемом участке профиля в металле существует остаточная напряжѐнность, при этом распределение
ѐѐ неравномерное. Так на участках второго, третьего, пятого и шестого сечений
напряжѐнность в металле повышена по сравнению с остальными участками.
При этом зоны повышенного напряжения не симметричны и смещены в сторону нижней грани образца (В7 больше В8), что хорошо отражено на рис. 6 зависимостью ∆В78=(В7 - В8). На рис.4 графики индукции в характерных точках три
и четыре В3 и В4, лежащих на короткой оси симметрии сечения профиля, отклоняются от нулевой оси в сторону зоны повышенного напряжения.
Рис. 6. Изгибающая сила F=0. Профиль намагничен равномерно вдоль
большей оси симметрии сечения профиля. Распределение разности индукции магнитного поля в двух характерных точках сечения профиля 7 и 8 по
длине образца ∆В78=(В7- В8).
Профиль. F=3kH, намагничен. B1, B2, B3, B4, B5, B6.
5
4
Ряд1
Название оси
3
Ряд2
2
Ряд3
1
Ряд4
0
-1
1
2
3
4
5
6
7
Ряд5
Ряд6
-2
-3
Рис. 7. Приложена внешняя изгибающая сила F=3 kH. Распределение
индукции магнитного поля в шести характерных точках сечения профиля по
длине профиля В1, В2, В3, В4, В5 и В6 соответствует кривым 1, 2, 3, 4, 5 и 6.
Профиль. F=3kH, B7 и B8.
7
6
Ирдукция B, мТл
5
4
3
Ряд1
2
Ряд2
1
0
-1
1
2
3
4
5
6
7
-2
-3
Рис. 8. Приложена внешняя изгибающая сила F= 3kH. Распределение
индукции магнитного поля в двух характерных точках сечения профиля по
длине профиля В7 и В8 соответствует кривым 1 и 2.
Рис. 9. Приложена внешняя изгибающая сила F= 3kH. Распределение
разности индукции магнитного поля в двух характерных точках сечения
профиля 7 и 8 по длине образца ∆В78=(В7- В8).
Рис. 10. Графики распределения разности индукции магнитного поля в
двух характерных точках сечения профиля 7 и 8 по длине профиля
∆В78=(В7- В8) при F=0 (график 1) и при F=3 kH (график 3).
После приложения изгибающей силы F равной 3 kH распределение индукции в характерных точках становится отличным от аналогичного распределения
при еѐ отсутствии (рис.7-10). На графиках, представленных на рис.10, видно отличие в разности индукции ∆В78=(В7 - В8), при F=0 и F=3 kН. В последнем опыте кривая пошла выше, что говорит об увеличении внутреннего напряжения в
стальном образце. Разность их средних значений на рассматриваемом участке
∆В составляет 1.0 мТл.
Таким образом, показана возможность изучения зависимости между величиной силы и величиной среднего приращения разности индукции в выбранных
характерных точках сечения. Например, при условии линейной аппроксимации
F=k•∆В среднее значение коэффициента пропорциональности будет
k= F/∆В = 3 106 H/Тл
для испытуемого образца и условий проведения опыта, что даѐт путь оценки
приращений механических напряжений в металле при небольших изменениях
среднего приращения магнитной индукции образца.
Библиографический список
1. Пат. №2387983 Российская Федерация, RU 2 387 983 C1, МПК G01N
27/82 (2006.01). Способ магнитной дефектоскопии. /Степанов А.П., Степанов
М.А., Милованов А.И., Саломатов В.Н., Лопатин М.В.; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщен. – №2008143039/28, заявл. 29.10.2008,
опубл. 27.04.2010, Бюл. №12. – 5 с. : ил.
2. Пат. №2441227 Российская Федерация, RU 2 441 227 C1, МПК G01N
27/72 (2006.1). Способ магнитной дефектоскопии изделий в напряжѐнном состоянии. /Степанов А.П., Милованов А.И., Степанов М.А.; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщен. –№ 2010121417/28, заявл. 26.05.2010,
опубл. 27.01.2012, Бюл. №3. – 3 с.
3. Пат. №2452943 Российская Федерация, RU 2 452 943 C1, МПК G01N
27/82 (2006.1). Способ обнаружения изгибных напряжений. /Степанов А.П.,
Степанов М.А., Милованов А.И., Саломатов В.Н.; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщен. –№ 2010142042/28, заявл. 13.10.2010,
опубл. 10.06.2012, Бюл. №16. – 5 с.
4. Пат. №2455634 Российская Федерация, RU 2 455 634 C1, МПК G01N
27/80 (2006.1). Способ оценки запаса прочности изделий в процессе эксплуатации. /Степанов А.П., Степанов М.А., Милованов А.И., Милованова Е.А., Саломатов В.Н.; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщен. –№
2010145975/28, заявл. 10.11.2010, опубл. 10.07.2012, Бюл. №19. – 5 с.