Способ контроля механических напряжений в стальных конструкциях магнитоупругим методом Российский патент 2022 года по МПК G01L1/12 

Изобретение относится к области неразрушающих методов контроля механических напряжений в конструкциях из стали, вызываемых в них различного рода эксплуатационными нагрузками, приводящими к изменениям параметра магнитного гистерезиса - остаточной намагниченности.

Предлагаемое изобретение предназначено для контроля максимальных (пиковых) напряжений в стальных конструкциях, испытывающих динамические нагрузки, и может быть использовано в тех случаях, где нагрузка на конструкцию прикладывается и затем снимается. Такой характер нагружения реализуется при работе подъемных кранов (подъем-спуск груза), железнодорожных и автомобильных металлических мостов (перемещение различных потоков транспорта), конструкций стадионов, цирков, театров (вход и выход посетителей). Аналогичного рода нагружения (приложение - снятие) испытывают рельсы (проезд состава), элементы конструкции орудия во время выстрелов, корпуса кораблей во время шторма, конструкции под действием сезонных ветровых и снеговых нагрузок. Особенностью их напряженного состояния является постоянная и, зачастую небольшая статическая (до исследуемого динамического воздействия) и повышенная наиболее опасная динамическая нагрузка.

Известен способ и устройство измерения напряжений [Патент US 3,861,206 МПК G01L 3/102, опубл. Jan. 21, 1975], включающий в себя этапы намагничивания ферромагнитной пленки, нанесенной на поверхность контролируемого материала, и определения изменения магнитного потока пленки, который зависит от уровня напряжений в материале.

Как правило, стали неоднородны из-за различных факторов, таких как остаточное напряжение, границы зерен, дефекты кристаллической решетки, выделение примесей и т.д. По этой причине магнитная проницаемость контролируемого материала будет иметь разные значения. Следовательно, контролируемый материал с одинаковой деформацией, демонстрирует различный результат измерения магнитострикции в зависимости от направления, в котором выполняется измерение, что является недостатком известного способа.

Известен, способ измерения механических напряжений, заключающийся в локальном намагничивании (ЛН) ферромагнетика и регистрации изменения индукции магнитного поля этой ЛН (метки) при действии импульса силы [а.с. СССР №767574, кл. G01L 1/12, 1980]. К недостаткам известного способа относится низкая точность измерения магнитного поля ферромагнетика, обусловленная влиянием внешних магнитных полей и остаточной намагниченности материала изделия.

Влияние внешних магнитных полей и остаточной намагниченности материала изделия в известном способе определения полей напряжений в деталях из ферромагнитных материалов [Патент РФ 2154262, МПК⁷ G01L 1/12, опубл. 2000] исключается тем, что при использовании матрицы магнитных меток создается участок одного направления намагниченности, чередующийся с участком противоположного направления намагниченности, расположенный между магнитными метками. В результате действия внешнего магнитного поля на метку уменьшается остаточная намагниченность одного полюса (например, N), но увеличивается намагниченность другого полюса (S). В целом амплитуда магнитного поля метки не изменяется. Недостатком такого способа является необходимость определения величины напряженности магнитного поля рассеяния Н_г0 элемента металлоконструкции в остаточно намагниченном ненагруженном состоянии и неопределенность в магнитоупругой чувствительности его материала.

В известных способах [Патент РФ №2274840, МПК⁷ G01L 1/12, опубл.20.04.2006 г], [а.с. СССР №731324, МПК2 G01L 1/12, опубл. 30.04.1980 г.] определения механических напряжений по изменению двойной амплитуды напряженности магнитного поля рассеяния намагниченного участка металлоконструкции в результате дозированного снятия нагрузки и возвращения ее в исходное состояние, и предварительно полученному градуировочному графику, показан новый подход к контролю механических напряжений с помощью магнитоупругой памяти (МУП), не требующий определения величины напряженности магнитного поля рассеяния H_r0 элемента металлоконструкции в остаточно намагниченном ненагруженном состоянии. Недостатком этих способов является невозможность полного или частичного снижения искомых напряжений в контролируемой конструкции, технически неосуществимо, например в зарытом в землю стальном трубопроводе изменять осевую нагрузку, но можно изменять кольцевые.

В электромагнитном способе контроля механических свойств магнитных материалов и изделий [а.с. СССР №552553, кл.² G01N 29/00, опубл. 30.03.1977 г.], заключающемся в том, что на изделие воздействуют постоянным магнитным полем, вводят в него ультразвуковые колебания, вызывающие в нем дополнительные дозированные напряжения, помещают катушку в пучности давления стоячей ультразвуковой волны и измеряют переменную ЭДС, наводимую в надетой на изделие из контролируемого материала измерительной катушке при двух значениях напряженности магнитного поля, по величине которой судят о механических свойствах материала. Недостатками электромагнитного способа контроля механических свойств магнитных материалов и изделий являются сложность установления измерительной катушки в пучности давления стоячей ультразвуковой волны, введение одинаковой мощности этой волны в различные изделия из контролируемого материала и необходимость двух измерений.

Наиболее близким (прототип) к заявленному изобретению является магнитный способ определения осевых механических напряжений сложно нагруженного магнетика [Патент RU №2326356, МПК G01L 1/12, 10.06.2008 г., прототип], не требующий специальных устройств для дополнительного дозированного нагружения и заключающийся в локальном намагничивании матрицей магнитных меток контролируемой конструкции (например, трубопровод с внутренним давлением Р), измерении напряженности магнитного поля рассеяния остаточно намагниченных участков, уменьшении и восстановлении кольцевых напряжений в трубе за счет уменьшения внутреннего давления на ΔР и последующего восстановления до исходного значения, и определении действующих в области магнитных меток осевых механических напряжений в трубопроводе по изменению напряженности магнитного поля рассеяния вследствие вариации кольцевых внутренним давлением на ΔР и ранее полученному градуировочному графику на моделях для тех же марок сталей.

К основным недостаткам прототипа относится неопределенный характер магнитоупругой чувствительности одной марки стали к равным напряжениям, и особенно при переходе от одной марки стали к другой, а также неприменимость к другим типам стальных конструкций без внутреннего давления (опора моста, подъемный кран, здания и т.д.).

Попытка уменьшить неопределенность магнитоупругой чувствительности стали, приводящей к увеличению погрешности оценки уровня механических напряжений магнитоупругим методом, предпринята в работах [Новиков В.Ф., Кострюкова Н.К., Кострюков О.М., Болотов А.А. Определение динамики напряжений в трубопроводах при суточных движениях земной коры. - Изв. Вузов. Нефть и газ, 1999, №5, с. 65-72; Кострюкова Н.К., Новиков В.Ф., Кострюков О.М., Ершов С.П. Определение напряженного состояния металла труб под воздействием зон локальных разломов. - Изв. ВУЗ, Нефть и Газ, 2001, №1, с. 80-85], где на поверхности трубы создавались намагниченные участки, там же наклеивались константановые тензорезистивные датчики. После нагружения трубопровода внутренним давлением, и появления на это магнитоупругого отклика, проводилось сопоставление показаний тензорезистивных датчиков и значений необратимого изменения магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности трубы. Это позволило определить усредненную магнитоупругую чувствительность стали трубы по ее длине. Применение такого способа определения магнитоупругой чувствительности стали в контроле протяженных и габаритных конструкций (магистральный подземный труборпровод, мостовые конструкции, каркасы зданий и т.д.) потребует трудоемкого размещения на их поверхности большого количества дорогостоящих тензодатчиков и регистрирующей аппаратуры, что снизит опреативность и повысит затратность контроля механических напряжений.

Поэтому для повышения точности и оперативности измерений механических напряжений в любом типе стальных конструкций магнитоупругим методом необходимо простым и доступным способом, исключающим необходимость измерения коэрцитивной силы Н_с и магнитострикции λ_s, наклейки тензодатчиков, определять магнитоупругую чувствительность стали непосредственно в месте контроля и учитывать ее величину в результатах измерения напряжений.

При контроле напряжений металлоконструкции магнитоупругим методом после ее локального намагничивания (ЛН) над намагниченным участком индуцируется магнитное поле, напряженность H_r которого однозначно связана с магнитным моментом локальной намагниченности M_r. Одна из формул, описывающих магнитоупругое размагничивание, представлена в работе [Новиков В.Ф., Бахарев Магнитная диагностика механических напряжений в ферромагнетиках. - Тюмень: Издательство «Вектор Бук», 2001. - 220 с.]:

где H_r0 и H_rσ - напряженность магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности стали в ненагруженном состоянии (σ=0) после намагничивания, и приложения - снятия напряжений σ соответственно; β - магнитоупругий коэффициент, зависящий от магнитной текстуры стали, определяемый ее коэрцитивной силой Н_с и магнитострикцией λ_s.

Таким образом, при контроле механических напряжений в стальной конструкции методом магнитоупругого размагничивания необходимо измерять магнитное поле рассеяния ее локальной остаточной намагниченности до и после испытания нагрузки, а также определять в месте контроля ее коэрцитивную силу Н_с и магнитострикцию λ_s. При этом точность измерения структурно-чувствительного параметра Н_с будет зависеть от ориентации электромагнитного преобразователя коэрцитиметра относительно осей действующих напряжений в стальной конструкции, а измерение λ_s в лабораторных условиях невозможно без вырезки из нее образцов. Все это усложняет, затрудняет и удорожает применение метода магнитоупругого размагничивания на практике при контроле напряжений.

Из предлагаемого выражения описывающего магнитоупругое размагничивание стали следует алгоритм определения параметра ее магнитоупругой чувствительности S, к напряжениям, создаваемым локальным динамическим или статическим воздействием, при условии H_r0~Н_с:

где ΔH=H_r0-H_rσ - величина магнитоупругого размагничивания стали, вызванного действующими механическими напряжениями σ.

Под действием напряжений магнитная система (домены и их границы) ферромагнетика (стали), предварительно находящегося в остаточно намагниченном состоянии, перестраивается для достижения им минимума его магнитоупругой энергии [Вонсовский С.В., Шур Я.С. Ферромагнетизм. - М. - Л.: ГИТТЛ, 1948, с. 816]

ΔW_мy=- 3/2⋅λ_sσ cos²ϕ.

Здесь λ_s- константа магнитострикции; σ - упругие напряжения; ϕ - угол между магнитным моментом ферромагнетика (направлением намагниченности) и осью действующих напряжений в нем.

Если ферромагнетик (сталь) локально намагнитить внешним магнитным полем (фиг. 1а), нормальным к его поверхности, создав преимущественную ориентацию магнитных моментов доменов в этом направлении (фиг. 1б), а затем в этом же месте статически или динамически оказать сжимающее воздействие σ<0 вдоль оси намагничивания, то магнитные моменты его доменов будут стремиться изменить свое прежнее пространственное положение максимум на ϕ=90°, или другими словами занять положение с минимальным углом между магнитным моментом и его поверхностью, т.е. расположиться в его плоскости (фиг. 1в). Тем самым будет, достигнут минимум магнитоупругой энергии ΔW_мy стали (ферромагнетика) в области локальной остаточной намагниченности. При аналогичном локальном намагничивании ферромагнетика и ортогональном к локальной остаточной намагниченности нагружении растяжением σ>0, для достижения минимума ΔW_мy магнитные моменты доменов будут занимать положение вдоль оси нагрузок, т.е. снова в плоскости ферромагнетика (фиг. 1г). Следовательно, для двух отличающихся видов однородного нагружения ферромагнетика (например, сжатие ударом вдоль нормали и ортогональное осевое растяжение), при одной и той же исходной конфигурации распределения магнитных моментов его локальной намагниченности и качественно подобной магнитоупругой энергии, происходит качественно одинаковая перестройка магнитных моментов .

Этот физический вывод подтверждается результатами измерения убыли магнитного поля рассеяния δН_τ (фиг. 5) локальной остаточной намагниченности в пластинчатом образце при последовательном создании в нем напряжений ортогональным осевым растяжением и соосным ударным (или статическим) сжатием. Здесь тангенс угла наклона зависимости δH_τ=f(σ) характеризует магнитоупругую чувствительность S стали пластинчатого образца к соответствующим напряжениям осевого растяжения (σ_{τ кал}), локального статического сжатия (σ_{τ сж}) или напряжениям (σ_{τ кал}) сжатия локальным ударом.

В диапазоне напряжений в стали σ от 0 до 100 МПа от воздействий растяжением, сжатием, ударом, уравнением регрессии является прямая. При растяжении пластинчатого образца до напряжений σ_{τ кал} значения δH_τ=f(σ_{τ кал}) удовлетворительно укладывается на прямой (фиг. 5), а S_{τ кал}=5.3⋅10^-3 МПа^-1. Для напряжений локального статического сжатия (калиброванная нагрузка σ_τсж) в тех же пределах (фиг. 5) наблюдается некоторое отклонение от линейности δН_τ=f(σ_{τ кал}). В этом случае приближенно величина магнитоупругой чувствительности стали к напряжениям сжатия σ_{n кал} локальным ударом S_{n кал}≈S_сж≈(4.8⋅4.9) 10^-3 МПа^-1, но для диапазона 0-90 МПА S_{τ кал} и S_сж практически одинаковы (S_{τ кал}≈S_сж≈5.3⋅10^-3 МПа^-1).

Подобные результаты ожидаемы для пластин одинаковой толщины и для изотропных образцов. Для горячекатаной стали (структура, как правило, изотропна) вероятность такого события наибольшая.

Задачей заявляемого технического решения является снижение трудоемкости, повышение точности оценки напряженно-деформированного состояния стальных конструкций магнитоупругим методом.

В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в повышении достоверности результатов оценки механических напряжений стальных конструкций магнитоупругим методом.

Указанный технический результат достигается применением предлагаемого способа контроля механических напряжений магнитоупругим методом, предполагающим измерение и учет величины магнитоупругой чувствительности стали в зоне контроля, к дополнительному локальному ударному или статическому силовому воздействию на нее в поперечном к действующим нагрузкам направлении. Для измерения магнитоупругой чувствительности стали в месте контроля действующих напряжений предлагаются вспомогательные устройства локального дозированного ударного и статического воздействия на ее остаточно намагниченную область.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 схематически показано формирование магнитной текстуры стали в области локального намагничивания и последующего приложения сжимающих (ударом) и растягивающих напряжений;

на фиг. 2 показано распределение нормальной H_n и тангенциальной Н_τ составляющих напряженности магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности вдоль поверхности стальных пластин подвергнутых отжигу при различных температурах: 1 - Т_отж=0; 2 - 200; 3 - 400;4 - 500; 5 - 530; 6 - Т_отж=800°С;

на фиг. 3 показано распределение нормальной H_n составляющей напряженности магнитного поля рассеяния в остаточно намагниченной области стали до и после ударного воздействия;

на фиг. 4(а) - устройство дозированного ударного силового воздействия на контролируемый элемент стальной конструкции для определения магнитоупругой чувствительности S;

на фиг. 4(б) - динамометрическое устройство, необходимое для калибровки устройства дозированного ударного силового воздействия и определения напряжений локального сжатия ударом σ_уд в стали;

на фиг. 5 - относительное изменение δН_{траст.cж},_уд напряженности магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности пластинчатого образца из стали 15ХСНД после ударного, растягивающего и сжимающего воздействий;

на фиг. 6 - профиль секции двутавровой балки автомобильного моста, где был опробован предлагаемый способ контроля механических напряжений; М - место локального намагничивания нижней полки балки;

на фиг. 7 - зависимость относительного изменения δН_уд напряженности магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности несущей балки автомобильного моста от напряжения локального сжатия ударом σ_уд.

Заявляемое техническое решение состоит из способа определения магнитоупругой чувствительности стали, необходимой для более точной и оперативной оценки уровня механических напряжений в стальных конструкциях магнитоупругим методом, необходимого для этого устройства дозированного ударного воздействия на стальную конструкцию (фиг. 4а) и динамометрического устройства (фиг. 4б) для определения силы удара по стальной конструкции и напряжений создаваемых при этом в ней.

Устройство дозированного ударного воздействия (фиг. 4а) состоит из титанового бойка (1) с наконечником сферической формы, и соединенной с ним пружины (2), работающей на сжатие. Боек с пружиной находится в прочном немагнитном корпусе (3) в виде полого цилиндра. Для локального намагничивания контролируемой стальной конструкции (или эталонного стального образца) (4) магнитным полем импульса тока от генератора (5) применяется соленоидальная катушка (6), внутри которой вблизи одного основания диаметрально друг другу размещены два феррозондовых датчика (7) для измерения тангенциальной составляющей Н_τ напряженности магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности магнитометром (8). Соленоидальная катушка (6) крепится на стальной конструкции (4), внутрь нее помещается устройство дозированного ударного воздействия в заряженном состоянии, когда титановый боек (1) деформируя пружину (2), фиксируется в спусковом устройстве (9).

Динамометрическое устройство (фиг. 4б) состоит из каркаса в виде корзины (10), который с помощью креплений (11) и талрепов (12) может надежно крепиться на контролируемой конструкции (13). В центре нижнего основания каркаса имеется соленоидальная катушка (14) для импульсного намагничивания конструкции, в которой, как и в соленоидальной катушке ударного устройства (6) (фиг. 4а) имеются аналогичные встроенные феррозондовые датчики (15). Магнитное поле импульсов тока, пропускаемого через витки соленоидальной катушки (14), используется для локального намагничивания контролируемой конструкции. Внутрь соленоидальной катушки (14) вставляется направляющий цилиндр (16), соосно которым может перемещаться титановый индентер (17) для силового воздействия на намагниченную область конструкции при закручивании винтового пресса (18) за его ручки (19). Уровень силы надавливания индентера (17) на конструкцию и напряжений сжатия в ней измеряется по индикаторному указателю часового типа динамометра (20).

Предлагаемый способ контроля напряжений в стальных конструкциях магнитоупругим методом с применением устройств дозированного ударного воздействия (фиг. 4а) и динамометрического (фиг. 4б) реализуется в два этапа следующим образом.

На первом этапе определяются магнитоупругие чувствительности S_{τ кал} стали контролируемого объекта к калибровочным напряжениям ее осевого растяжения (σ_{τ кал}) и S_{n кал} к напряжениям сжатия (σ_{n кал}) локальным ударом. Для этого изготавливается эталонный образец (или серия образцов, для повышения точности) из аналогичной марки стали, и толщиной, равной толщине контролируемого элемента конструкции, на поверхности (4) (фиг. 4а) которого крепится соленоидальная катушка (6) для его локального намагничивания, с встроенными в основание диаметрально и противоположно друг другу двумя феррозондовыми датчиками (7) магнитного поля. При этом ось соленоидальной катушки (6) для намагничивания совпадает с нормалью к поверхности образца, а рабочие оси датчиков с касательной к ней. При таком неизменном положении и интегральном включении датчиков исключается влияние внешних магнитных полей и краевых эффектов на результаты измерений магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности, поскольку сигнал одного из них будет повышен, а другого одинаково понижен. Генератор тока (5) вырабатывает его импульс вследствие разряда конденсаторов, протекающий через витки соленоидальной катушки (6), и создает магнитный поток, в котором находится эталонный образец, тем самым производится его локальное намагничивание вдоль нормали к поверхности. Магнитное поле соленоидальной катушки (6), ориентированное вдоль нормали к поверхности эталонного образца, вызывает преимущественно сонаправленную с ним ориентацию магнитных моментов доменной системы стали в этом месте (фиг. 1б), и тем самым формирует локально ее остаточно намагниченное состояние. Индуцируемое локальной остаточной намагниченностью стали магнитное поле рассеяния на поверхности стального образца будет иметь распределение, показанное на фиг. 2 и 3.

Феррозондовым магнитометром (8) (фиг. 4а) измеряется в максимуме, как на (Фиг. 2) начальное значение Н_n0 тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности стального образца. Для измерения максимума тангенциальной H_n составляющей феррозондовый датчик следует разместить на поверхности эталонного образца в границах соленоидальной катушки (6) и ориентировать его рабочую ось радиально к центру остаточно намагниченной области.

Затем внутри соленоидальной катушки (6) помещается и закрепляется устройство дозированного ударного воздействия (фиг. 4а). Такое устройство для определения магнитоупругой чувствительности S_{n кал} стали к напряжениям сжатия локальным ударом (σ_{n кал}), работает следующим образом. Боек устройства дозированного ударного воздействия (1) перемещается вдоль нормали к поверхности эталонного образца, деформируя сжатием пружину (2) на заданную величину Δl, и фиксируется спусковым устройством (9). После снятия спускового устройства, боек устройства дозированного ударного воздействия начинает ускоренное движение к поверхности эталонного образца (4) и оказывает на него ударное воздействие с силой F_yд, тем самым создавая в нем калибровочные напряжения сжатия локальным ударом σ_{n кал}, после чего с помощью магнитометра (8) регистрируются уже изменившиеся значения H_nσ напряженности магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности в месте удара. Калибровочные напряжения сжатия локальным ударом σ_{n кал}, возникающие при этом в эталонном образце вызовут преимущественную перестройку магнитных моментов стали в области локальной остаточной намагниченности в направлении OY, перпендикулярном оси их действия (фиг.1в), т.е. в плоскости образца, а следовательно и изменение поля рассеяния до Н_п0 на величин у ΔH_nσ- Н_n0 - H_nσ. (фиг. 3). После этого может быть определена магнитоупругая чувствительность стали пластинчатого образца к калибровочным напряжениям сжатия локальным ударом σ_{n кал}. Поскольку магнитоупругая чувствительность стали S_{n кал} зависит в частности и от уровня напряжений σ_{n кал}, то здесь также необходимо определять ее усредненное значение, изменяя 5-7 раз σ_{n кал} за счет разной деформации пружины устройства дозированного ударного воздействия и построив зависимость δH_nσ=f(σ_{n кал}) (фиг. 5). Как видно из фиг. 3 после ударного воздействия характер распределения магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности вдоль поверхности стальной пластины остается неизменным, но заметны его количественные изменения в центре. Надежное крепление соленоидальной катушки для намагничивания (6) (фиг. 4а) на поверхности эталонного образца, позволяет считать поле остаточной намагниченности Н_n0 неизменным в пределах погрешности серии измерений ее величины.

Измерение магнитоупругой чувствительности стали S_{τ кал}, контролируемой конструкции к калибровочным напряжениям σ_{τ кал} ее осевого растяжения, выполняется на этих же эталонных образцах в силовом стенде машины для механических испытаний, имеющей встроенный тензометрический элемент. Эталонный образец (4), с закрепленной в том же месте на его поверхности соленоидальной катушкой (6), имеющей встроенные феррозондовые датчики (7) (без устройства дозированного ударного воздействия) (фиг. 4а), размещается в стенде машины для механических испытаний и в ненагруженном состоянии намагничивается несколькими импульсами магнитного поля тока соленоидальной катушки (6) вдоль нормали к его поверхности до максимума показаний магнитометра (8). При этом остаточно намагниченное состояние эталонного образца локально формируется также вдоль нормали (фиг. 1б). После измерения в максимуме тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния остаточной намагниченности эталонного образца Н_τ0 (фиг. 2), осуществляется его осевая деформация растяжением вдоль OY до напряжений (σ_τкал), ориентированных ортогонально изначальному направлению (фиг. 1г). Под действием напряжений осевого растяжения (σ_{τ кал}) эталонного образца минимум магнитоупуругой энергии ΔW_мy его стали наблюдается при угле ϕ₂≈0° между векторами магнитных моментов и осью OY действующих напряжений осевого растяжения (σ_{τ кал}), т.е. при перестройке магнитных моментов в его плоскости, как и в предыдущем случае его сжатия ударнымнагружением вдоль нормали, также сопровождающейся ослаблением поля рассеяния локально намагниченной области до значения Н_τσ. Оценив изменения ΔН_τσ=Н_τσ-Н_τσ и напряженности магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности эталонного образца под действием калибровочных напряжений осевого растяжения σ_{τ кал} разного уровня, вычисляется усредненная магнитоупругая чувствительность его стали к ним.

По результатам измерения на эталонных образцах магнитоупругой чувствительности стали S_{n кал} к калибровочным напряжениям (σ_{n кал}) сжатия локальным ударом и S_{τ кал} к напряжениям осевого растяжения (σ_{τ кал}) определяют относительный коэффициент магнитоупругой чувствительности который является константой для идентичной стали контролируемой конструкции и эталонных образцов равной ей толщины.

На втором этапе реализации предлагаемого способа контроля напряжений в стальных конструкциях магнитоупругим методом проводится измерение магнитоупругой чувствительности S_уд стали непосредственно контролируемой конструкции к напряжениям локального сжатия ударом σ_уд, создаваемым локальным дозированным ударным воздействием вдоль нормали к ее поверхности с помощью устройства (фиг. 4а). Для этого на поверхность контролируемого элемента (4) стальной конструкции крепится соленоидальная катушка (6) устройства ударного воздействия для определения магнитоупругой чувствительности стали (фиг. 4а) с радиально расположенными внутри нее феррозондовыми датчиками (7), через витки которой пропускаются импульсы постоянного тока от генератора (5). Магнитным полем тока соленоидальной катушки (6) производится локальное намагничивание элемента контролируемой конструкции вдоль нормали к ее поверхности, и измерение тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния Н_0уд получившейся локальной остаточной намагниченности. Далее в соленоидальной катушке (6) помещается устройство дозированного ударного воздействия (фиг. 4а), с помощью которого оказывается соответствующее ударное нагружение на контролируемый элемент конструкции бойком (1) в центре локально намагниченной области вдоль нормали к ее поверхности и оси преимущественного направления . Напряжения локального сжатия ударом σ_уд, возникающие при этом в элементе конструкции вызовут перестройку магнитных моментов стали в области локальной остаточной намагниченности преимущественно в направлении, перпендикулярном оси их действия, т.е. в плоскости элемента конструкции, а следовательно, и изменение поля рассеяния до Н_уд на величину ΔH_уд=H_0уд - Н_уд. В результате серии таких измерений с разным уровнем σ_уд определяется усредненная магнитоупругая чувствительность стали к напряжениям локального сжатия ударом σ_уд непосредственно на контролируемой конструкции.

Задача калибровки деформации пружины устройства дозированного ударного воздействия по напряжениям σ_уд в контролируемой конструкции, решается с помощью динамометрического устройства (фиг. 4б). Такое устройство оказывает локально силовое воздействие на объект контроля (стальную конструкцию), аналогичное ударному, но в статическом режиме. После установки динамометрического устройства на объекте контроля (13) (фиг. 4б), производится локальное намагничивание последнего магнитным полем тока соленоидальной катушки (14). При этом на контролируемой поверхности поле индуцируемой локальной остаточной намагниченности имеет распределение, показанное на фиг. 2. С помощью феррозондовых датчиков магнитного поля (15), расположенных в каркасе (10) динамометрического устройства диаметрально и встречно друг другу в местах максимумов тангенциальной составляющей поля рассеяния локальной остаточной намагниченности, измеряется исходное значение Н₀. При этом исключено влияние внешних магнитных полей, поскольку датчики работают в интегральном режиме. Далее внутрь соленоидальной катушки (14) помещается направляющий цилиндр (16) для направленного перемещения индентера (17) к намагниченной области контролируемой стальной конструкции (13). Закручивая винтовой пресс (18) за ручки (19), тем самым оказывая локально поэтапное силовое давление индентером (17) на стальную конструкцию (13) в центре намагниченной области через динамометр (20), периодически измеряется величина Н₁ напряженности ее магнитного поля рассеяния. Величина деформации динамометра, соответствующая усилию F_i, прикладываемому к стальной конструкции надавливанием индентером, на каждом этапе измеряется по его индикаторному указателю часового типа. В результате получается зависимость вида которая в дальнейшем используется для калибровки деформации пружины устройства дозированного ударного воздействия по напряжениям σ_уд, создаваемых им в этом же месте контролируемой стальной конструкции после получения аналогичным образом зависимости Калибровка устройства дозированного ударного воздействия позволяет рассчитать соответствующую силу удара F_уд=F_i бойка для каждой величины деформации его пружины. При известном размере площади S контакта индентера (17) (фиг. 4б) динамометрического устройства с поверхностью контролируемой стальной конструкции, и силе F_уд удара, вычисляется величина напряжений σ_уд от ударного воздействия.

Устройство дозированного ударного воздействия фиг. 4(а) обладает такими преимуществами, по сравнению с динамометрическим устройством статического нагружения фиг. 4(б), как универсальность применения на любой конструкции, большей мобильностью, гораздо меньшими размерами и простотой применения.

Далее для определения магнитоупругим методом максимального значения рабочих механических напряжений растяжения σ_раб, испытанных элементом контролируемой стальной конструкции в течение какого-либо срока работы достаточно его еще раз локально намагнитить с помощью соленоидальной катушки (6) (фиг.4 а) в том же месте, где измерялась величина S_yд, измерить поле остаточной намагниченности в начале Н₀ и конце Н₀ этого срока, вычислить изменение ΔН_σ=Н₀-Н_σ и Поскольку величины относительной магнитоупругой чувствительности стали контролируемой конструкции к механическим напряжениям растяжения σ_раб и локального сжатия ударом σ_уд, создаваемых соответственно поперек и вдоль исходного преимущественного направления а также эталонных образцов из аналогичной марки стали при подобном намагничивании и нагружении согласно фиг. 5 близки (К_кал≈K), то из этого следует формула изобретения для определения уровня рабочих механических напряжений растяжения σ_раб, создаваемых в контролируемой стальной конструкции динамическим воздействием растяжения при эксплуатации, с учетом предварительно определенной калибровочной поправки К_кал на магнитоупругую чувствительность стали:

или при условии Н₀≈Н_0уд

где К_кал - относительный калибровочный коэффициент магнитоупругой чувствительности стали, получаемый эмпирически на эталонных образцах из аналогичной марки стали; - калибровочный коэффициент пересчета деформации пружины устройства дозированного ударного воздействия в напряжения σ_уд в стали, создаваемых действием его бойка площадью поверхности S; - величина магнитоупругой чувствительности стали конструкции к напряжениям локального сжатия ударом σ_уд, измеренная непосредственно в месте контроля напряжений σ_раб контролируемой стальной конструкции; величина напряжений σ_уд создаваемых устройством дозированного ударного воздействия в стали (фиг. 4а), определяется эмпирически калибровкой деформации его пружины с помощью динамометрического устройства (фиг. 4б); - относительное изменение напряженности магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности контролируемой стальной конструкции после испытания ею механических напряжений растяжения σ_раб,

Заявляемое изобретение поясняется примером.

Предлагаемый способ контроля механических напряжений в стальных конструкциях магнитоупругим методом был апробирован на несущих балках автомобильного моста, испытывающих деформации осевого растяжения при изгибе, вызванном проездом транспорта.

На несущей двутавровой балке автомобильного моста (фиг. 6) из стали 15ХСНД, испытывающей в нижней полке механические напряжения растяжения σ_раб при изгибе после проезда транспорта, крепится соленоидальная катушка (6) устройства дозированного ударного воздействия (фиг. 4.а), с встроенными внутри феррозондовыми датчиками (7) и магнитным полем электрического тока в ней производится локальное намагничивание нижней полки вдоль нормали к поверхности. Феррозондовым магнитометром (8) измеряется в максимуме (Фиг. 2) начальное значение Н_0уд тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности полки балки, затем с помощью устройства дозированного ударного воздействия (фиг. 4а) в балке создаются напряжения σ_уд, после чего снова с помощью магнитометра (8) регистрируются уже изменившиеся значения Н_уд и вычисляется величина магнитоупругой чувствительности стали балки к напряжениям локального сжатия ударом σ_уд (фиг. 7). Далее производится еще одно локальное намагничивание полки балки в том же месте, измеряется исходное значение Н₀. После того как полка балки в процессе эксплуатации испытает напряжения σ_раб после воздействия проезжающего транспорта, снова измеряется Н_σ и вычисляется ее максимальные изменения ΔН_σ=Н₀-Н_σ, δН_σ=ΔН_σ/Н₀≈0,194 (после трех месяцев эксплуатации).

Следующим этапом реализации предлагаемого способа контроля напряжений определяется магнитоупругая чувствительность стали полки балки к калибровочным напряжениям сжатия локальным ударом σ_{n кал} от ударного воздействия и магнитоупругая чувствительность к напряжениям σ_{τ кал} ее осевого растяжения по результатам измерения (фиг. 5) на эталонном образце, где δH_nσ и δН_τσ - относительное изменение напряженности магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности эталонного образца после приложения к нему напряжений σ_{n кал} и σ_{τ кал} соответственно. Их отношение (фиг. 5).

Тогда максимальная величина механических напряжений растяжения σ_раб возникающих в полке балки моста в ходе трех месяцев его эксплуатации (исследований) может быть рассчитана по следующей формуле с учетом поправки на магнитоупругую чувствительность ее стали

где - относительный коэффициент магнитоупругой чувствительности стали к калибровочным напряжениям сжатия локальным ударом (σ_{n кал}) и калибровочным напряжениям осевого растяжения (σ_{τ кал}), получаемый эмпирически на эталонных образцах из аналогичной марки стали (фиг. 5).

Предлагаемое изобретение позволяет повысить точность и оперативность, снизить стоимость контроля уровня механических напряжений стальных конструкций, испытывающих как статические, так и динамические нагрузки в процессе их эксплуатации в режиме памяти. Точность и оперативность контроля механических напряжений достигается тем, что при оценке их уровня учитывается магнитоупругая чувствительность стали, измеренная непосредственно на стальной конструкции. Снижение стоимости контроля механических напряжений осуществляется за счет того, что для определения магнитоупругой чувствительности стали не требуется трудоемкой наклейки дорогостоящих тензорезисторов и вырезки из конструкции образцов для необходимых магнитоупругих исследований.

Изобретение относится к области неразрушающих методов контроля механических напряжений в конструкциях из стали. Способ контроля механических напряжений в стальных конструкциях магнитоупругим методом содержит этапы, на которых осуществляют измерение и учет величины магнитоупругой чувствительности стали в зоне контроля, к дополнительному локальному ударному или статическому силовому воздействию на нее в поперечном к действующим нагрузкам направлении. Технический результат – повышение достоверности результатов оценки механических напряжений стальных конструкций магнитоупругим методом. 7 ил.

Способ контроля механических напряжений в стальных конструкциях магнитоупругим методом, заключающийся в локальном намагничивании элемента конструкции, измерении начального значения величины Н₀ напряженности магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности, его нагружении в процессе эксплуатации и снятии нагрузки, создающей механические напряжения растяжения σ_раб, повторном измерении Н_σ, определении изменения δН_σ величины напряженности магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности в результате нагружения - разгружения, по величине изменения напряженности магнитного поля рассеяния δН_σ и ранее определенной на лабораторных образцах градуировочной кривой δН_σ=f(σ_pa6) оценивают величину действовавших в конструкции механических напряжений растяжения σ_раб, отличающийся тем, что для повышения точности определения механических напряжений растяжения σ_раб в конструкции предварительно измеряют магнитоупругую чувствительность S_уд ее стали в месте контроля к напряжениям, создаваемым в поперечном направлении, для чего исследуемый участок конструкции локально намагничивается до максимума в направлении нормали к его поверхности, вдоль которого затем осуществляется однократное или многократное дозированное локальное ударное воздействие, создающее напряжения локального сжатия ударом σ_уд, по относительному изменению δН_уд напряженности магнитного поля рассеяния локальной остаточной намагниченности, вызванному ударом, рассчитывается магнитоупругая чувствительность стали конструкции S_уд к напряжениям локального сжатия ударом σ_уд, ранее на эталонных образцах из той же марки стали и толщины, что и элемент конструкции, проводят калибровку магнитоупругой чувствительности стали конструкции S_{n кал} к напряжениям сжатия локальным ударом σ_{n кал} и S_{τ кал} к напряжениям σ_{τ кал} осевого растяжения для определения калибровочного коэффициента величина механических напряжений растяжения σ_раб в контролируемой конструкции рассчитывается по относительному изменению поля рассеяния ее локальной остаточной намагниченности δН_σ с учетом коэффициента К_кал.