Dołącz do czytelników
Brak wyników

Wykorzystanie innowacyjnych magnetycznych metod diagnostyki szansą na skuteczną detekcję degradacji materiałów konstrukcyjnych

Artykuł | 14 grudnia 2020 | NR 6
0 279

Czytelnicy „Służb Utrzymania Ruchu” zauważyli zapewne, że od kilku wydań promuję diagnostykę prenatalną, która pozwala na wskazanie miejsc zagrożonych wystąpieniem nieciągłości, zanim one wystąpią. W tym artykule przedstawię nowe w naszym kraju unikalne metody diagnozowania stanu mikrostruktury stali eksploatowanej w energetyce.

 

Postępująca podczas eksploatacji w energetyce w warunkach wysokiej temperatury i zmiennych naprężeń zmiana mikrostruktury stali systematycznie obniża jej właściwości mechaniczne. Zagadnienie opracowania skutecznej i nieniszczącej metody detekcji tego typu zmian mikrostruktury wydaje się nadal nierozwiązane, a sprawa ta jest szczególnie ważna ze względu na oczywistą potrzebę oceny stanu elementów kotłów krajowych urządzeń energetycznych, które dawno przekroczyły zakładany przez konstruktorów czas ich eksploatacji.

Zmiana mikrostruktury typowych stali żarowytrzymałych kojarzona jest jednoznacznie ze zmianami ich właściwości magnetycznych. Ten „związek” jest wykorzystywany w oferowanych przez NNT 2 nieniszczących metodach detekcji stopnia zaawansowania procesu degradacji stali eksploatowanych w energetyce. Pierwsza bazuje na efekcie emisji magnetoakustycznej (EMA) i może być użyta tylko dla materiałów ferromagnetycznycho niezerowej magnetostrykcji. Takie właściwości posiadają jednak właściwie wszystkie stale używane w krajowej energetyce. Druga metoda wykorzystuje prądy wirowe (PW) i może być z kolei stosowana dla detekcji procesu degradacji w stalach formalnie niemagnetycznych (austenity). Te stale były i są nadal stosowane w energetyce krajów zachodnich (w przegrzewaczach pary) i – zgodnie z wiedzą autora – są proponowane do użycia także w naszych kotłach energetycznych.

Czy właściwe jest użycie w tytule tego tekstu słowa innowacyjne? Mam nadzieję, że Czytelnik zgodzi się z taką oceną po zapoznaniu się z przedstawionymi niżej właściwościami i przykładami wykorzystania obu tych metod. Cel tego opracowania stanowi właśnie przekazanie podstawowych informacji o zasadach działania układów pomiarowych oraz zilustrowanie przykładami wykorzystania tych metod.

 

EMISJA MAGNETOAKUSTYCZNA EMA

Efekt emisji magnetoakustycznej (EMA) skojarzony jest ze skokowym ruchem granic domen (GD) magnetycznych typu 90°1. Hipotetyczny obraz struktury domenowej pokazano na rys. 1. Na obrazie z mikroskopu skaningowego stali 10H2M (ferrytyczno-perlityczna) naniesiono obszary domeny magnetyczne) namagnesowane do nasycenia. Wektory magnetyzacji wewnątrz domen są zaznaczone jako białe strzałki. W strefie granicy ziarna występują tzw. domeny domykające, namagnesowane w kierunku prostopadłym do namagnesowania domen wewnątrz ziarna.

 

Rys. 1. Struktura magnetyczna w obszarze granicy ziarna ferrytu

 

Granice oddzielające te domeny (oznaczone na rys. 1 jako linie przerywane) są właśnie typu 90°. Istotną cechą sieci atomowej ferrytu jest niewielkie i niejednakowe odkształcenie komórki elementarnej ze względu na kierunki namagnesowania sąsiednich atomów. To powoduje, że występują odkształcenia sieci po obu stronach granicy typu 90°. Magnesowanie polega głównie na zmianie objętości domen poprzez ruch GD. Ruch ten jest niemonotoniczny, gdyż granice są kotwiczone przez defekty struktury (widoczne na rys. 1 wydzielenia wewnątrz ziarna oraz na jego granicy). Skokowe zmiany położenia GD typu 90° skutkują emisją impulsu akustycznego. Impulsy te tworzą fale akustyczną o szerokim zakresie częstotliwości, z maksimum rozkładu FFT w zakresie od ok. 100 kHz do ok. 200 kHz.

Schemat układu pomiarowego EMA używanego do diagnostyki przemysłowej stanu mikrostruktury pokazano na rys. 2. Materiał badany (M) jest magnesowany lokalnie przez elektromagnes jarzmowy. Rdzeń elektromagnesu (R) jest magnesowany przez cewki (C), przez które płynie prąd przemienny. Źródło prądu stanowi układ złożony z generatora napięcia G i wzmacniacza prądowego W1. Prąd ten zmienia się liniowo w czasie i ma amplitudę niezależną od właściwości magnetycznych (przenikalności) obwodu magnetycznego i oporu elektrycznego cewek. Gwarantuje to stabilne warunki magnesowania materiału badanego.

 

Rys. 2. Schemat układu pomiarowego EMA

 

Rdzeń elektromagnesu ma przegub pozwalający na dopasowanie biegunów do krzywizny rury. Zdjęcie takiego elektromagnesu pokazano na rys. 3 [1].

 

Rys. 3. Stacja operatorska wykorzystywana do wieloparametrowej analizy sygnału EMA

 

SYNTETYCZNĄ MIARĄ OGÓLNEGO POZIOMU NATĘŻENIA EMA JEST CAŁKA Z OBWIEDNI NATĘŻENIA (Z NAPIĘCIA UA) DLA JEDNEGO OKRESU MAGNESOWANIA. OZNACZANA JEST ONA JAKO ZAZWYCZAJ INTUA. ISTOTNE ZNACZENIE MA WÓWCZAS BADANIE WZGLĘDNYCH ZMIAN TEGO PARAMETRU ODNIESIONEGO DO STANU DOSTAWY. BADANIA WYKONANE DLA WIELU GATUNKÓW STALI (WYCINKI POBRANE Z EKSPLOATOWANYCH URZĄDZEŃ) UJAWNIŁY, ŻE CAŁKA INTUA MALEJE MONOTONICZNIE I ZNACZĄCO, BO OK. DWUKROTNIE DLA STANÓW ZNACZNIE ZDEGRADOWANYCH.

Tłumienie fal akustycznych jest relatywnie małe i to powoduje, że sygnał EMA zawiera informację o zmianach mikrostruktury z całej objętości, która jest magnesowana. To unikalna i wyjątkowo cenna cecha proponowanej metody diagnostyki stanu degradacji, wykorzystującej właśnie EMA. Do detekcji fali akustycznych EMA służy przetwornik piezoelektryczny (S) zamocowany na oczyszczonej powierzchni. Sygnał napięciowy z S jest wstępnie wzmacniany (przedwzmacniacz PW), a następnie filtrowany analogowo (FGP), znowu wzmacniany dostarczany do analizatora (A/C). Analizator w wersji analogowej wyznacza napięcie chwilowe skuteczne (Ua), rejestrowane w pamięci komputera PC.

W wersji analizatora z opcją wieloparametrowej analizy, sygnał napięciowy EMA jest wstępnie zapamiętany za pomocą szybkiej karty A/D, a informacje o właściwościach tego sygnału wyznaczane są za pomocą odpowiedniego programu. Na rys. 3 pokazano płytę czołową stacji operatorskiej służącej właśnie do wieloparametrowej analizy sygnału EMA. W trzech oknach widoczne są (przykładowo): napięcie Ug sterujące generator prądu (pokazana jest połowa okresu), rozkład FFT sygnału EMA oraz pierwotny sygnał napięciowy Uo EMA dla tego samego półokresu magnesowania. Wykresy napięcia skutecznego Ua w funkcji Ug stanowią podstawową informację o EMA. W pokazanym przypadku widoczne są 2 charakterystyczne maksima natężenia. Przykładowe wykresy obwiedni Ua pokazane dla stali 10H2M na rys. 4 dla stanu dostawy oraz po eksploatacji. Wyniki te ujawniają jednoznaczny, znaczący spadek natężenia EMA przy zachowaniu ogólnego charakteru przebiegu Ua. Syntet...

Dalsza część jest dostępna dla użytkowników z wykupionym planem

Przypisy