Dołącz do czytelników
Brak wyników

Innowacyjne magnetyczne sposoby detekcji nieciągłości w elementach stalowych

Artykuł | 16 grudnia 2020 | NR 1
0 98

Technologia metody pomiaru magnetycznego pola rozproszonego (MPR) jest relatywnie dobrze rozwinięta w Polsce. Bardzo zasadne jest wspomaganie metodą MPR wyników badania obiektu klasyczną metodą magnetyczno-proszkową MP. Pomiar natężenia MPR pozwala bowiem na ocenę głębokości nieciągłości ujawnionych metodą MT.

 

Artykuł poświęcony jest prezentacji innowacyjnych metod detekcji nieciągłości w elementach konstrukcji stalowych. Opisane zostaną dwa bardzo różne sposoby, choć ich cechę wspólną stanowi wykorzystywanie specyficznych właściwości ferromagnetyków. Metoda pierwsza bazuje na efekcie wycieku strumienia indukcji magnetycznej z elementu w strefie o zmienionych właściwościach magnetycznych. Zwykle się ją określa mianem metody pomiaru magnetycznego pola rozproszonego (MPR). Metoda druga wykorzystuje zjawisko zmiany wymiarów – głównie jest to wydłużanie stali pod wpływem magnesowania (efekt magnetostrykcji, w skrócie EMS). Impulsowe magnesowanie skutkuje generacją fali akustycznej bez fizycznego kontaktu z elementem i falę tę wykorzystuje się do detekcji metodą echa nieciągłości występujących np. w prętach i rurach w dużej odległości od przetwornika.

Myślę, że Czytelnik zapoznał się już z ogólnym opisem proponowanych tu innowacyjnych metod diagnostyki magnetycznej [1] oraz z opisem podstaw (ABC) tych metod [2]. Jeśli nie mam racji – tym bardziej zachęcam do uważnej lektury tego materiału.

 

CO ŁĄCZY OBIE METODY?

Celem niniejszego artykułu jest głównie przekazanie podstawowych informacji o właściwościach tych ferromagnetyków i o sposobie ich wykorzystania do potrzeb detekcji „nieciągłości”. Można by zatem stwierdzić, że obie metody łączy nie zjawisko fizyczne (czy zjawiska), a raczej wspólna i bardzo pożądana cecha dotycząca metodyki badania. W obu przypadkach uzyskuje się informację, i to w szybki sposób, o występowaniu „nieciągłości” w relatywnie dużym obszarze skanowanego obiektu. Nie są to więc badania punktowe. Mam nadzieję, że uda się też przekonać Czytelnika, że uzasadnione jest użycie w tytule słowa innowacyjne. Byłaby to tym samym druga, bardzo ważna cecha łącząca obie metody.

 

DETEKCJA WAD Z WYKORZYSTANIEM MAGNETYCZNEGO POLA ROZPROSZONEGO

Poszerzoną prezentację metody detekcji wad typu „nieciągłości” bazującej na pomiarze magnetycznego pola rozproszonego (MPR) należy zacząć od zwrócenia uwagi na czynniki mające wpływ na wielkość i rozkład przestrzenny MPR „wyciekającego” z badanego elementu. Niech pomocą dydaktyczną będzie tu zbudowany na Politechnice Gdańskiej skaner służący do badania MPR nad powierzchnią płyt.

 

Rys. 1. Schemat budowy skanera MPR: 1 – badana płyta, 2 – wózek z czujnikami pola, 3 – szczotki metalowe, 4 – uchwyt szczotki, 5 – magnes neodymowy, 6 – zwora magnetyczna

 

Dwa magnesy stałe oraz zwora magnetyczna, szczotki i badany materiał to elementy tworzące zamknięty obwód magnetyczny dla strumienia Φ indukcji magnetycznej. Źródłem strumienia indukcji B są oczywiście owe dwa magnesy neodymowe. Przypomnę, że wartość liczbową Φ strumienia indukcji B przez daną powierzchnię S (załóżmy, że jest ona płaska) wyznaczana jest jako iloczyn uśrednionej składowej indukcji B normalnej do tej powierzchni (Bn) oraz wartości powierzchni S. Wynika stąd, że dany skaner dostarcza strumienia tym większego, im większa jest powierzchnia boczna So magnesu oraz większy poziom indukcji Bm w jego wnętrzu (zazwyczaj na poziomie ok. 1 T). Przyjąć należy, że znaczna część strumienia przenika przez płytę a znacząco niewielka – „płynie” także ponad płytą. Natężenie indukcji wewnątrz badanego obiektu (1 – tutaj płyta) jest niejednorodne ze względu na rozpływ strumienia w obszarze, który ma przekrój poprzeczny Sp większy od So. Praktyczne znaczenie dla detekcji wady (czytaj – dla wielkości wycieku strumienia indukcji z płyty) ma wartość indukcji Bo w warstwie przypowierzchniowej płyty. Spróbujmy to opisać, korzystając z symulacji MPR metodą elementów skończonych. Odwołać możemy się do pokazanego w moim artykule ABC magnetycznych metod diagnostyki stanu elementów konstrukcji stalowych [2] na rys. 12. wyliczonego rozkładu przestrzennego indukcji magnetycznej (jest to moduł z B) w obszarze płyty i nad płytą w pobliżu „nieciągłości” o głębokości h = 2 mm i szerokości (wzdłuż płyty) s = 0,5 mm. Obiekt badany ma grubość ok. 20 mm i szerokość (w kierunku prostopadłym do płaszczyzny rysunku) – 20 mm. W elemencie magnesowanym indukcja ma wartość Bo ok. 1 T. Pole magnetyczne B nad powierzchnią jest sumą pola wyciekającego Bw z obiektu w obszarze nieciągłości oraz pola Bz od strumienia opływającego obiekt. Pomiar rozkładu przestrzennego MPR sprowadza się do rejestracji głównie dwóch składowych tego pola – składowej stycznej (Bt) oraz składowej normalnej (Bn). Wynik skanowania obu tych składowych w kierunku osi próbki wzdłuż linii odległej od powierzchni o d = 1 mm pokazano na rys. 2.

 

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

 

Można zauważyć, że wykres składowej stycznej Bt (wykres 1) ujawnia wyraźne charakterystyczne maksimum tuż nad wadą. Wykres składowej normalnej Bn (wykres 2) ma charakter oscylacyjny na tle monotonicznej zmiany poziomu. Dwa charakterystyczne ekstrema (przyrost i spadek) świadczą jednoznacznie o zmianie kierunku wektora indukcji B dla MPR od wady dla obszarów przed nią i za nią. Ewidentny też jest relatywnie szeroki rozkład obu anomalii – efekt MPR występuje w zakresie zmian x o ok. 4 mm. Wynika stąd wniosek, że pomiar MPR pozwala jednoznacznie wskazać na położenie środka wady, przy czym trudno jest określić (wyznaczyć) szerokość wady, jeśli jest ona wąska (s rzędu mm).

 

Rys. 3. Zależność amplitudy składowej Bx MPR od poziomu namagnesowania materiału badanego Bo

 

Trzeci wykres na tym rysunku ilustruje rozkład przestrzenny gradientu składowej normalnej w kierunku osi x. Miarą gradientu ΔBn jest szybkość zmian składowej Bn w tym kierunku. Czytelnik może łatwo zauważyć, że maksimum owego wykresu pokrywa się dokładnie z położeniem środka wady (dobra właściwość) oraz że szerokość połówkowa jest znacząco mniejsza od szerokości rozkładu składowej Bt. Należy podkreślić, że tego typu analiza sygnału MPR zwiększa istotnie rozdzielczość i jakość wskazań skanera. Tego typu sposób analizy sygnału MPR stosowany jest w skanerach oferowanych przez firmę NNT. Przykład wyniku skutecznego skanowania z taką opcją stref przyspoinowych rurociągu o dużej średnicy przedstawiłem na rys. 8 w tekście Innowacyjne magnetyczne metody oceny stanu elementów urządzeń energetycznych („Służby Utrzymania Ruchu” 2016, lipiec –sierpień).

Nadszedł moment, aby odpowiedzieć ilościowo na pytanie o zależność między natężeniem MPR a stanem namagnesowania obiektu (poziom Bo) i względną głębokością wady. Wykres na rys. 3 ilustruje wynik obliczeń metodą MES tej zależności dla maksimum składowej Bx pola rozproszonego (Bx tożsama jest ze składową styczną Bt). Analiza ta dotyczyła wady (typu szczelina przypowierzchniowa) o głębokości rzędu 10% grubości płyty oraz typowej stali konstrukcyjnej (poziom indukcji nasycenia Bs to ok. 1,6 T). Wynik tej analizy jest bardzo wymowny: wzrost natężenia Bx jest typu ekspotencjalnego, przy czym wzrost ten jest szczególnie duży dla namagnesowania zbliżającego się do poziomu nasycenia. Wynika stąd bardzo ważny wniosek: kontrola (znajomość) poziomu namagnesowania wnętrza badanego obiektu ma kluczowe znaczenie dla wyznaczania głębokości...

Dalsza część jest dostępna dla użytkowników z wykupionym planem

Przypisy