СПОСОБ КОНТРОЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛЬНЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ И УПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ В НИХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК G01N27/80 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля эксплуатационных свойств (твердости, прочности) стальных протяженных стальных металлоконструкций (труб, мостов, кранов, рельсов, резервуаров и др.) и действующих в них механических напряжений.

Известен способ магнитного контроля изделия, где по величине локальной остаточной намагниченности определяют механические свойства материалов и действовавшие в материале механические напряжения [SU 288384 А1, МПК G01N 27/80, опубл. 01.01.1970]. В этом случае вблизи исследуемого участка располагают датчики магнитного поля, постоянный магнит или намагничивающую катушку. Участок намагничивают, прикладывая к нему постоянный магнит или пропуская по катушке импульс тока. По намагниченности заранее определенным корреляционным зависимостям между величиной магнитного поля рассеяния и механическими свойствами (твердостью или прочностью) контролируют выбранный параметр.

Недостатком данного способа является то, что в нем используется нормальная составляющая магнитного поля рассеяния, которая вследствие большого размагничивающего фактора на границе ферромагнетик - воздух обладает низкой чувствительностью к структурным и, следовательно, прочностным свойствам материала, резкой зависимостью от координаты, что вносит существенные погрешности измерения из-за позиционирования датчиков и не позволяет в достаточной мере контролировать длинномерные конструкции типа трубопроводов, мостов, кранов и др.

Известен способ непрерывного магнитного контроля твердости и предела прочности протяженных стальных изделий, где намагничивание материала изделия осуществляется приставным П-образным магнитом, который при перемещении листа непрерывно оставляет две намагниченные полоски разной полярности [SU 278181 А1, МПК G01N 27/80, опубл. 01.01.1970].

Известен способ определения механических свойств изделий из ферромагнитных материалов, в котором продольным П-образным магнитом намагничивают рельс, и с помощью феррозонда измеряется продольная составляющая магнитного поля рассеяния [SU 1608563 А1, МПК 5 G01N 27/80, опубл. 23.11.1990].

Недостатком известных способов является то, что при таком положении намагничивания и расположения датчика на величине продольной составляющей магнитного поля рассеяния сказываются размеры и форма образца, что вносит существенные искажения в выходной сигнал, не связанный со структурой и свойствами металла. Кроме того, в данных способах из-за применения одного магнита происходит однократное намагничивание, при этом не достигаются свойства предельной петли гистерезиса, в результате чего вносится дополнительная погрешность в результаты измерений.

Известно устройство для определения механических свойств изделий из ферромагнитных материалов, состоящее из блока намагничивания, преобразователя с размещенным в нем магниточувствительным элементом, блоком измерения, схемы сравнения и измерителя амплитуды импульсов [SU 1748031 А1, МПК5 G01N 27/80, опубл. 15.07.1992].

Недостатком известного устройства являются большие габаритные размеры, что ограничивает его применимость и тем самым делает невозможным контроль протяженных металлоконструкций.

Задачей, на решение которой направлены заявляемый способ и устройство, является создание механизма и технологии, обеспечивающих возможность магнитного неразрушающего контроля протяженных стальных металлоконструкций, увеличение производительности труда.

Техническим результатом предлагаемого решения является расширение возможностей неразрушающего контроля больших протяженных металлоконструкций, например мостов, кранов, нефтехранилищ и т.п.

Указанный технический результат по объекту - способ достигается тем, что в известном способе для контроля механических свойств стальных металлоконструкций и упругих напряжений в них, заключающемся в локальном намагничивании протяженных металлоконструкций, их нагружении и измерении магнитного поля рассеяния феррозондовыми датчиками, особенностью является то, что намагничивание осуществляют путем перемещения магнитов с чередующимися полюсами над поверхностью металлоконструкции; локальное намагничивание делают определенной ширины, размер которой на порядок выше размера измеряющего ферозондового датчика магнитометра; при этом намагничивание осуществляют таким образом, что магнитные моменты магнитов перпендикулярны направлению движения средства передвижения, а области локальной намагниченности имеют вид полос различной направленности; для определения механических напряжений в режиме магнитоупругой памяти измерение тангенциальной составляющей магнитного поля рассеяния производят как до, так и после нагружения; измеряют тангенциальную составляющую магнитного поля, перпендикулярную направлению движения средства передвижения; для измерения напряжения намагничивание и измерение Н_τ производят во взаимно перпендикулярных направлениях, а величину напряжений определяют по анизотропии, по результатам измерений строят магнитограмму, по которой определяют наличие структурных изменений и напряжений в исследуемой металлоконструкции.

Способ контроля механических свойств стальных металлоконструкций и упругих напряжений достигается локальным намагничиванием металлоконструкций и измерением магнитного поля рассеяния.

Указанный технический результат по объекту - устройство достигается тем, что в устройстве для контроля механических свойств стальных металлоконструкций и упругих напряжений в них, содержащем блок намагничивания, блок измерения, приборный блок, блок управления, особенностью является то, что устройство дополнительно содержит средство передвижения с магнитными колесами, блок намагничивания представляет собой кассету с постоянными магнитами с чередующимися противоположно направленными магнитными моментами, блок измерения включает в себя два феррозондовых датчика и приборное колесо-счетчик, защищенные экраном из магнитомягкого материала; блок управления содержит лазерную указку и устройство дистанционного контроля, при этом указанные блоки измерения и намагничивания расположены в нижней части средства непосредственно над поверхностью металлоконструкции, а блок управления и приборный блок расположены в верхней части средства передвижения.

Изобретение поясняется иллюстрационными материалами: на фиг.1 представлена схема устройства, общий вид, на фиг.2 - схема устройства, вид снизу, на фиг.3 - магнитограммы распределения магнитного поля рассеяния при различных нагрузках, где кривые а - без нагрузки; б - 0,5, в - 1 оборот нагрузочного винта; г - 1,5 оборота нагрузочного винта; д - 2 оборота нагрузочного винта, е - 2 оборота нагрузочного винта через 13 часов.

Устройство для контроля механических свойств стали и упругих напряжений в них содержит приборный блок 1, блок измерения 2, блок намагничивания 3, средство передвижения 4, например типа тележка, блок управления 5.

Средство передвижения 4 представляет собой раму 6 из немагнитного материала с двумя парами колес.

Приборный блок 1 представляет собой магнитометр, например Ф-205.38, закрепленный на раме 6 в верхней части передвижного средства 4 любыми известными способами, например посредством винтов из немагнитного материала.

Блок измерения 2 расположен в нижней части средства передвижения 4 непосредственно над поверхностью 7 металлоконструкции и представляет собой два феррозондовых датчика 8 с приборным колесом-счетчиком 9, которые, для исключения влияния постоянных магнитов, окружены экраном 10, выполненным из магнитомягкого материала, например пермаллой, АРМКО железо и т.д. Феррозондовые датчики 8 связаны с магнитометром приборного блока 1 посредством гибкого кабеля и закреплены в раме 6, например, при помощи немагнитных винтов.

Блок намагничивания 3 расположен в нижней части средства передвижения 4 непосредственно над поверхностью 7 металлоконструкции, и представляет собой кассету с постоянными магнитами 11 с чередующимися противоположно направленными магнитными моментами (на фиг.1 стрелками показаны направления магнитного момента).

Передняя рулевая пара магнитных колес 12 связана с поворотным механизмом посредством осей и шестерен из немагнитного материала. Задняя вторая пара магнитных колес 13 связана блоком шестерен с электродвигателем.

Блок управления 5 расположен на средстве передвижения 4, закреплен винтами из немагнитного материала. Блок управления 5 представляет собой лазерную указку 14, закрепленную немагнитными винтами в передней части рамы 6 средства передвижения 4, устройство дистанционного контроля, связанное с электродвигателем средства передвижения 4 гибким кабелем.

Для осуществления заявляемого способа проводят намагничивание, которое осуществляют путем перемещения магнитов 11 блока намагничивания 3 с чередующимися полюсами над поверхностью металлоконструкции при помощи средства передвижения 4.

В результате перемещения магнитов 11 происходит многократное перемагничивание части металлоконструкции, что приводит к достижению магнитного насыщения в области намагничивания. Магнитное поле магнитов 11 направлено перпендикулярно оси средства передвижения, т.е. перпендикулярно направлению движения средства передвижения 4, а области локальной намагниченности имеют вид двух полос заданной ширины различной магнитной направленности. Ширина магнитов 11 подобрана таким образом, чтобы ширина локальной намагниченной полосы была на порядок выше ширины феррозондового датчика 8. Диаметр магнитных колес подобран так, чтобы обеспечить постоянный зазор между датчиками 8, постоянными магнитами 11 (например, изготовленными из порошка SmCo₅) и поверхностью 7 металлоконструкции при движении. Магнитные колеса 12, 13 обеспечивают плотный контакт (сцепление) с контролируемой поверхностью 7 металлоконструкции.

После первого перемещения средства передвижения 4 по поверхности 7 ненагруженной металлоконструкции и записи магнитограммы посредством феррозондовых датчиков 8 магнитометра следующим этапом создают напряженное состояние металлоконструкции, например подвешиванием груза, если в качестве металлоконструкции использован кран, или повышением давления, если в качестве металлоконструкции это трубопровод и т.п. После этого снова осуществляют перемещение средства передвижения 4 и запись магнитограммы. Результат представляет собой магнитограмму, например кривые б, в, г (фиг.3).

Для определения механических напряжений в режиме магнитоупругой памяти измерение тангенциальной составляющей магнитного поля рассеяния осуществляют как до, так и после нагружения металлоконструкции. При этом намагничивание и измерение H_τ осуществляют во взаимно перпендикулярных направлениях, а по выражению анизотропии судят о величине напряжений. При этом запись магнитограмм после нагружения осуществляется перемещением средства передвижения 4 без блока намагничивания 3. Данные регистрирует запоминающее устройство на базе магнитометра Ф-205.38 для последующей передачи их на ПК. Результатом является магнитограмма (фиг.3), по которой судят о структуре контролируемого материала и его механических свойствах и напряжениях. Например, на фиг.3 на участке 150-300 мм на всех кривых можно отметить скачек на магнитограмме, что позволяет говорить о наличии структурных изменений и напряжений в исследуемой металлоконструкции.

Таким образом, введение в устройство средства передвижения и его конструктивное исполнение, наличие блока намагничивания с постоянными магнитами с чередующимися противоположно направленными магнитными моментами, фиксирование тангенциальной составляющей магнитного поля в двух взаимно перпендикулярных направлениях приводит к возможности измерения протяженных металлоконструкций с минимальным воздействием сторонних факторов на результат измерения, что увеличивает производительность контроля и расширяет его применимость.

Изобретение может быть использовано для контроля эксплуатационных свойств (твердости, прочности) стальных протяженных стальных металлоконструкций (труб, мостов, кранов, рельсов, резервуаров и др.) и действующих в них механических напряжений. Блок намагничивания представляет собой кассету с постоянными магнитами с чередующимися противоположно направленными магнитными моментами. Блок измерения включает в себя два феррозондовых датчика и приборное колесо-счетчик, защищенные экраном из магнитомягкого материала. Блок управления содержит лазерную указку и устройство дистанционного контроля. Блоки измерения и намагничивания расположены в нижней части средства передвижения непосредственно над поверхностью металлоконструкции, а блок управления и приборный блок расположены в верхней части средства передвижения. При этом фиксируют тангенциальную составляющую магнитного поля в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Изобретение обеспечивает возможность магнитного неразрушающего контроля больших протяженных металлоконструкций, в том числе мостов, кранов, нефтехранилищ, и увеличение производительности контроля. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ для контроля механических свойств стальных металлоконструкций и упругих напряжений в них, заключающийся в локальном намагничивании протяженных металлоконструкций, их нагружении и измерении магнитного поля рассеяния феррозондовыми датчиками, отличающийся тем, что
намагничивание осуществляют путем перемещения магнитов с чередующимися полюсами над поверхностью металлоконструкции;
локальное намагничивание делают определенной ширины, размер которой на порядок выше размера измеряющего феррозондового датчика магнитометра;
при этом намагничивание осуществляют таким образом, что магнитные моменты магнитов перпендикулярны направлению движения средства передвижения, а области локальной намагниченности имеют вид полос различной магнитной направленности;
для определения механических напряжений в режиме магнитоупругой памяти измерение тангенциальной составляющей H_τ магнитного поля рассеяния производят как до, так и после нагружения;
измеряют тангенциальную составляющую магнитного поля, перпендикулярную направлению движения средства передвижения;
для измерения напряжения намагничивание и измерение Н_τ производят во взаимно перпендикулярных направлениях, а величину напряжений определяют по магнитной анизотропии,
по результатам измерений строят магнитограмму, по которой определяют наличие структурных изменений и напряжений в исследуемой металлоконструкции.

2. Устройство для контроля механических свойств стальных металлоконструкций и упругих напряжений в них, содержащее блок намагничивания, блок измерения, приборный блок, блок управления, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит средство передвижения с магнитными колесами, блок намагничивания представляет собой кассету с постоянными магнитами с чередующимися противоположно направленными магнитными моментами, блок измерения включает в себя два феррозондовых датчика и приборное колесо-счетчик, защищенные экраном из магнитомягкого материала; блок управления содержит лазерную указку и устройство дистанционного контроля, при этом указанные блоки измерения и намагничивания расположены в нижней части средства передвижения непосредственно над поверхностью металлоконструкции, а блок управления и приборный блок расположены в верхней части средства передвижения.