Dołącz do czytelników
Brak wyników

Czy mamy już skuteczną metodę detekcji nieciągłości pomalowanych konstrukcji stalowych?

Artykuł | 11 stycznia 2021 | NR 2
0 196

Standardowa diagnostyka skupia się głównie na detekcji nieciągłości, gdyż ich występowanie stanowi oczywiste i podstawowe zagrożenie dla dalszej bezpiecznej eksploatacji owego elementu. Warto bliżej zapoznać się z metodą, która umożliwia detekcję typowych nieciągłości przypowierzchniowych, które występują w powszechnie stosowanych konstrukcjach stalowych, a są trudne (albo wręcz niemożliwe) do wykrycia za pomocą typowych technik detekcji. Metoda ta umożliwia skuteczną detekcję nieciągłości bez kosztownej operacji usuwania warstw wierzchnich, a ponadto jest szybka i łatwa w stosowaniu.

 

Uważny czytelnik „Służb Utrzymania Ruchu” mógł w 2016 r. czytać cykl moich artykułów opisujący innowacyjne metody diagnostyki [1–5]. Metody te bazują na zjawiskach magnetycznych i umożliwiają badania głównie elementów wykonanych ze stali ferromagnetycznej. Najbliższy tematycznie jest nam teraz artykuł Innowacyjne magnetyczne sposoby detekcji... [5] z tego cyklu, w którym opisana została metoda detekcji nieciągłości z wykorzystaniem pomiaru rozkładu przestrzennego magnetycznego pola rozproszonego (MPR). Umożliwia ona detekcję i ocenę geometrii nieciągłości powierzchniowych i podpowierzchniowych. Jest to znana i uznana właściwość tej metody. Stawiamy teraz pytanie, oczywiste dla eksploatatorów i służb utrzymania ruchu: czy możliwa jest skuteczna i tania oraz szybka detekcja nieciągłości w elementach stalowych pokrytych warstwą ochronną? Zazwyczaj jest to farba antykorozyjna. Pokrywanie powierzchni metali warstwą ochronną to zabieg powszechny dla typowych konstrukcji stalowych. Chcemy wszak uniknąć kosztownej technologii usuwania tych warstw przed przewidywanym badaniem typowymi metodami detekcji nieciągłości. Mam tu na myśli np. metodę magnetyczno-proszkową i metodę ultradźwiękową. Czy taką metodą może być metoda badająca MPR? Naszym zdaniem: oczywiście, że tak. Poniżej przedstawiamy argumenty uzasadniające taką odpowiedź. Wracamy zatem do opisu tego właśnie aspektu wykorzystania metody MPR. W szczególności przedstawione zostaną wyniki analizy badania właściwości sygnału MPR w funkcji odległości sondy od badanej powierzchni. Zastosowanie tej metody będzie zilustrowane wynikami badań próbki stalowej pokrytej przewodzącą warstwą ochronną, także złącz spawanych elementów kratownic rurowych dźwigu przemysłowego.

 

Przypomnienie zasad metody MPR

Podstawowe informacje o metodzie MPR zawarte są w artykule Innowacyjne magnetyczne sposoby detekcji... [5]. Na użytek niniejszego opracowania przedstawiam na wstępie układ pomiarowy, który pozwala na zilustrowanie podstawowych właściwości rozkładu przestrzennego natężenia pola magnetycznego w pobliżu materiału z typową nieciągłością.

 

Rys.1. Schemat budowy modelowego układu do magnesowania próbek wzorcowych: 1 – badana próbka, 2 – neodymowy magnes, 3 – zwora magnetyczna, 4 – szczelina, 5 – linia badania 

 

Schemat budowy układu magnesującego próbkę wzorcową pokazano na rys. 1.

Próbka (1) jest elementem zamkniętego obwodu magnetycznego dla strumienia Φ indukcji magnetycznej. Źródłem strumienia indukcji B są dwa magnesy neodymowe (2). Wartość liczbową Φ strumienia indukcji B przenikającej przez daną powierzchnię S (załóżmy, że jest ona płaska) wyznaczana jest jako iloczyn wartości uśrednionej składowej indukcji B prostopadłej do tej powierzchni (Bp) oraz wartości tej powierzchni S. Wynika stąd wniosek, że dany układ magnesujący dostarcza strumienia indukcji w zamkniętym obwodzie magnetycznym tym większego, im większa jest powierzchnia boczna So magnesu neodymowego oraz im większy poziom indukcji Bm w jego wnętrzu. Typowe magnesy neodymowe charakteryzuje indukcja wewnętrzna na poziomie ok. 1 T. Przyjąć należy, że w praktycznych rozwiązaniach magneśnic znaczna część strumienia indukcji magnetycznej przenika przez magnesowany obiekt, ale niewielka część strumienia płynie także ponad obiektem. W obszarze „nad próbką” miesza się zatem pole „wyciekające” z próbki w strefie nieciągłości oraz pole wyciekające z biegunów układu magnesującego i pole powrotne od samej próbki. Szczególne znaczenie dla nas ma wyciek pola strumienia indukcji z próbki w obszarze, w którym występuje wada, czyli nieciągłość. Rozkład przestrzenny natężenia pola magnetycznego MPR występującego „nad” powierzchnią magnesowanej próbki z nieciągłością przypowierzchniową można opisać jakościowo i ilościowo, korzystając z metody elementów skończonych (MES). Interesuje nas teraz rozkład pola magnetycznego mierzonego wzdłuż linii odległej o pewien dystans H od powierzchni próbki. Taką linię zaznaczono na rys. 1. jako (5). Na rys. 2 pokazano wyliczony metodą MES rozkład składowych głównych indukcji magnetycznej: składowej stycznej Bt (wykres 1) oraz składowej normalnej Bn (wykres 2). Skala dla wykresu Bn jest zwiększona 10 razy. Obliczenia te dotyczyły „nieciągłości” o głębokości g = 2 mm i szerokości (wzdłuż osi próbki) s = 0,5 mm. Obiekt badany ma grubość ok. H = 20 mm i szerokość (w kierunku prostopadłym do płaszczyzny rysunku) S = 20 mm.
Odległość wewnętrzna między magnesami ma wartość L = 16 cm. W elemencie magnesowanym indukcja magnetyczna Bo w kierunku osi głównej przyjęła wartość ok. 0,7 T. Linia badania MPR odległa jest od powierzchni próbki o H = 1 mm.

 

Rys.2. Rozkład przestrzenny składowych pola magnetycznego nad szczeliną przypowierzchniową: Bt – składowa styczna, Bn – składowa normalna, GBn – gradient składowej normalnej w kierunku x

 

Można zauważyć, że wykres składowej stycznej Bt (wykres 1) ujawnia wyraźne charakterystyczne maksimum zlokalizowane symetrycznie nad wadą. Wykres składowej normalnej Bn (wykres 2) ma charakter oscylacyjny na tle monotonicznej zmiany ogólnego poziomu (tła) tej składowej. Uważny czytelnik zauważy zapewne także zmianę znaku tego tła. Zmiana znaku składowej normalnej Bn dowodzi jednoznacznie zmiany zwrotu tej składowej, a więc i kierunku natężenia indukcji nad powierzchnią magnesowaną. Taki charakter zmian wynika oczywiście z faktu występowania nad próbką pola rozproszonego przez układ magnesujący. Dwa charakterystyczne ekstrema (przyrost i spadek) składowej normalnej Bn świadczą jednoznacznie także o zmianie kierunku wektora indukcji B dla MPR dla obszaru nad nieciągłością. Taka oscylacja składowej Bn oraz pojedyncze maksimum składowej stycznej Bt są ściśle skojarzone z wyciekiem strumienia indukcji magnetycznej z próbki w tym właśnie obszarze. Ewidentny jest także relatywnie szeroki przedział zmian obu składowych MPR: ma on szerokość ok. 4 mm. Wynika stąd, że pomiar MPR pozwala jednoznacznie i precyzyjnie oznaczyć głównie położenie „środka” wady. Owe „rozmycie” składowej Bt czy też składowej Bn nie pozwala natomiast na prostą ocenę szerokości wykrytej wady szczególnie w przypadku, gdy jest ona relatywnie wąska (szerokość S rzędu ułamka mm).

Należy jeszcze zauważyć i opisać trzeci wykres na rys. 2. Przedstawia on rozkład przestrzenny GRADIENTU składowej normalnej indukcji magnetycznej Bn w kierunku osi x. Miarą gradientu, oznaczonego tu jako GBn, jest szybkość zmian składowej normalnej Bn w kierunku osi x. Jak widać, położenie maksimum owego wykresu pokrywa się dokładnie z położeniem maksimum składowej Bt, a tym samym także z położeniem środka wady. Czytelnik powinien również stwierdzić ważną i specyficzną właściwość rozkładu gradientu: szerokość połówkowa rozkładu gradientu GBn jest znacząco mniejsza (ok. dwukrotnie) od szerokości połówkowej rozkładu składowej Bt. Pomiar gradientu GBn zwiększa zatem istotnie rozdzielczość i jakość wskazań metody bazującej na pomiarze MPR. Tego typu sposób analizy sygnału MPR stosowany jest w skanerach oferowanych przez firmę NNT. Z powyższego opisu podstawowych właściwości sygnału MPR wykorzystamy dalej właściwość zapewne najważniejszą dla detekcji wad: położenie ekstremum składowej stycznej czy też gradientu składowej normalnej MPR jednoznacznie wskazuje na położenie nieciągłości.

 

Badania modelowe MPR – wpływ odległości

Należy teraz zadać pytanie kluczowe dla niniejszego materiału. Pytamy zatem o to, jak daleko od powierzchni z wadą należy wykonywać pomiary MPR, aby metoda ta była skuteczna. Wracamy zatem do analizy zagadnienia, które jest istotne dla oceny możliwości...

Dalsza część jest dostępna dla użytkowników z wykupionym planem

Przypisy