+37517 335-04-35, +37517 335-07-35, +37517 335-08-35
info@ctms.by
220113, Республика Беларусь, г.Минск, ул.Мележа, д.1а, офис 115
  • Контроль
  • Тестинг
  • Измерения

Оценка остаточного ресурса металлоконструкций магнитным методом

Оценка остаточного ресурса металлоконструкций магнитным методом
В семидесятых – восьмидесятых годах прошлого века специалистам черной металлургии удалось создать уникальную отраслевую систему неразрушающего контроля микроструктуры и механических свойств стали. Этот опыт еще не совсем утерян. Если металлопотребляющие отрасли примут подходы металлургов к магнитному контролю металлов, актуальная сегодня проблема сбережения национального металлофонда будет решаться быстро и при минимальных возможных затратах.
В металлургии разных стран неоднократно предпринимались попытки заменить медленные и дорогие испытания механических свойств неразрушающими методами. Известны работы по магнитной структуроскопии в Японии, Германии, США. Однако только советским специалистам удалось развить средства и методики неразрушающего контроля до применения их взамен сдаточных испытаний магнитных свойств. Объясняется это уникальной ситуацией в истории техники. Крупнейшие предприятия производили огромные количества однородной продукции стабильного качества, прямые испытания, повторяющие один и тот же результат, представлялись напрасной, но неизбежной формальностью, поэтому требовалась дешевая альтернатива механическим испытаниям. Из многочисленных методов физического контроля распространился оптимальный – магнитный, а из магнитных методов предпочтительными оказались основанные на измерении магнитной индукции и коэрцитивной силы. Эти две магнитные характеристики имели наилучшую корреляцию с механическими свойствами стали.
Организатором работ по неразрушающему контролю был ведущий отраслевой институт ЦНИИчермет, Москва. Он собирал лучших специалистов по неразрушающему контролю и организовывал рабочие группы для решения особо важных проблем. Одна из таких рабочих групп разработала сначала отраслевой, а затем государственный стандарт по неразрушающему контролю механических свойств и микроструктуры магнитным методом [1].
В российских ГОСТах - технических условиях на стальной прокат во времена Советского Союза в разделе «методы контроля», как правило, допускалось применение неразрушающих и статистических методов оценки для сдаточного контроля механических свойств и структурных характеристик стали. Именно этот пункт в разделе «методы контроля» способствовал широчайшему распространению магнитного контроля по предприятиям металлопроизводящих и машиностроительных отраслей. ГОСТ 30415-96 «Сталь. Неразрушающий контроль механических свойств и микроструры металлопродукции магнитным методом» является первым в мире стандартом по направлению. Металлургические заводы отгружали с магнитного контроля до 90 % продукции. 
Появление стандарта способствовало разработке дешевых и надежных измерительных приборов и установок массового применения, а также повышению требований к метрологическим характеристикам приборов. Благодаря простоте метода, реализацию контроля поручали ОТК цехов, где линейный персонал прекрасно справлялся с измерениями и аттестацией.
Физическая суть метода давно известна и очень проста. Если снимать петлю магнитного гистерезиса с разных марок стали, можно увидеть, что магнитные характеристики разных марок позволяют различать их как по магнитной индукции, так и по коэрцитивной силе, рис.1.

Рис. 1 Различия между петлей гистерезиса низкоуглеродистой (петля с меньшей площадью) и высокопрочной низколегированной стали, позволяющие определять структурные составляющие изделия и механические свойства.

Чтобы перейти от магнитного контроля стали к сдаточным механическим испытаниям, для каждой марки стали проводят серию параллельных испытаний – магнитных и прямых, традиционных, а потом используют полученные взаимосвязи для аттестации готовой продукции.
При сдаточных магнитных испытаниях проката металлурги учитывают существенное ограничение. Испытания проводятся на тех участках технологических линий, где с контролируемой продукции сняты напряжения, неизбежные в технологических процессах, чтобы исключить их влияние на результаты контроля. Однако в условиях эксплуатации напряжения в металле необходимо учитывать наряду с исходной структурой. В 2003 г. вышло изменение № 1 к ГОСТ 30415, разрешающее использовать методические подходы стандарта для оценки ресурса ферромагнитных изделий. Инициировали введение изменения металлурги для решения внутренних проблем. Остаточный ресурс стало возможно измерять.
Магнитным методом контролируются прокатные валки, работающие в условиях интенсивного циклического нагружения. Оценка ресурса в этих работах позволяет выбрать лучшего поставщика, оптимизировать профилировку, оценить опасность травм. Система магнитного контроля кожуха доменных печей позволяет оптимизировать межремонтный период. Незаменим магнитный контроль при оценке качества термической обработки, как изделий массового производства, так и дорогих уникальных изделий. Металлурги рассчитывают браковочные пределы, как правило, в коэрцитивной силе. При необходимости градуировки коэрцитиметра в МРа используют стандартный образец механического состояния (СОМС) из контролируемой марки стали или ее аналога.
Для контроля структурного и напряженного состояния металлоизделия можно использовать как импульсные магнитные анализаторы (ИМА), так и коэрцитиметры. В настоящее время ИМА применяют только для сдаточного контроля металлопродукции. При контроле изделий в эксплуатации предпочитают двухполюсные коэрцитиметры. В отличие от ИМА, они позволяют выделить в изделии направления наибольших и наименьших напряжений.
За десятилетия работы в металлургии накоплены данные по величине коэрцитивной силы стального проката, в зависимости от марки стали и термической обработки, часть этих сведений вошла в справочники. Ниже приведена Таблица 1 с примерами значений коэрцитивной силы для готового проката. Источник – Справочник «Неразрушающий контроль и диагностика», изданный РОНКД под редакцией В.В. Клюева в 2004 г. [2]

Таблица 1. Коэрцитивная сила разных марок сталей 

Марка 
стали

Термообработка

Коэрцитивная сила, Нс, А/см

20

После прокатки

3.20

10

После прокатки

4.80

45

После прокатки

6.40

45

Закалка в масле при 820 ºС, отпуск при 160 ºС

21.60

СТ5

После прокатки

6.40

ШХ15

Закалка в масле при 820 ºС, отпуск при 160 ºС

36.00

9Х18

Закалка при 1030 ºС, отпуск при 180 ºС

64.00

9Х18

Закалка в масле при 1050 ºС, обработка холодом, отпуск при 550 ºС, охлаждение на воздухе

80.00

20Х13

Закалка в масле при 1020 ºС, отпуск при 620 ºС

11.20

12Х13

Нормализация при 1020 ºС, отпуск при 660-760 ºС

4.00

65Ф

Закалка в масле при 810±10 ºС, отпуск при 360±20 ºС, охлаждение на воздухе

16.00

В справочнике приведена малая доля оценки марки по коэрцитивной силе. Материал, накопленный на металлургических предприятиях, мог бы составить национальную базу данных, полезную для всех металлопотребляющих отраслей.
Вслед за металлургами магнитный контроль структурного и напряженного состояния металлоконструкций стали использовать для оценки состояния опасных элементов грузоподъемных механизмов См. «Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса подъемных сооружений при проведении их обследования и техническом диагностировании (экспертизе промышленной безопасности), РД ИКЦ "КРАН"- 007-97/02. [3]
При использовании магнитного контроля надо иметь в виду, что это не классическая дефектоскопия, которая обнаруживает и оценивает по величине дефекты, уже существующие в изделии. Магнитный контроль предназначен для упреждения развития дефектов, вызванных статическим нагружением, циклическими нагрузками и динамическими ударами.
Госгортехнадзор сформулировал требования к средствам магнитного контроля опасных производственных объектов. В настоящее время этим требованиям удовлетворяет только магнитный структуроскоп КРМ-Ц-К2М производства НПФ "Специальные Научные Разработки". Коэрцитиметр КРМ-Ц-К2М прошел все обязательные испытания, имеет Сертификат соответствия и рекомендован Госгортехнадзором России для определения НДС и остаточного ресурса металлоконструкций промышленного оборудования (РД ИКЦ "Кран" 007-97). Для серийного контроля в приборах серии КРМ-Ц-К имеется звуковая и световая сигнализация, регулировка верхнего и нижнего уровня контроля, предусмотрена настройка прибора по стандартным образцам во всём диапазоне контроля Нс с погрешностью 0,1 А/см.
Принцип работы прибора основан на предварительном намагничивании изделия до насыщения, размагничивании его до нуля и электронной обработке полной петли магнитного гистерезиса с оценкой величины коэрцитивной силы Нс. Все приборы серии КРМ-Ц-К обладают взаимозаменяемостью и обеспечивают 100% воспроизводимость результатов.



Рис. 2. Структуроскоп магнитный КРМ-Ц-К2М.


На рисунке 2 изображен структуроскоп магнитный КРМ-Ц-К2М в комплектации со стандартным преобразователем. Возможна комплектация преобразователями других форм и размеров. Результаты измерений по беспроводной связи передаются в карманный персональный компьютер (КПК), на рисунке слева. КПК позволяет получать обрабатывать и анализировать результаты измерений на объекте исследования в режиме “on-line”. Такой подход позволяет дефектоскописту в процессе контроля обратить внимание на детали, нуждающиеся в особо тщательной проверке. Благодаря простоте прибора и методик, требования к квалификации дефектоскописта здесь минимальные, ему достаточно иметь квалификацию 1 уровня.
Использование магнитной структуроскопии при определении характеристик материалов металлических конструкций могло бы многократно удешевить и ускорить обследование. К сожалению, в «Правилах обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений» СП 13-102-2003 [4] магнитный неразрушающий контроль металлоконструкций не предусмотрен. Рекомендуемые этими СП методы определения состояния металлоконструкций по химическому анализу и прямым испытаниям имеет множество ограничений. Было бы полезно для строительной отрасли, если бы ведущие специалисты Госстроя обратили внимание на позитивный опыт применения магнитной структуроскопии. Без использования неразрушающего магнитного контроля оценки ресурса массовое обследование металлических строительных конструкций представляется нереальным. 
В тех случаях, когда металлоконструкции подвержены коррозии, обязательным условием оценки остаточного ресурса является оценка не только напряжённого состояния, но и остаточной толщины деталей металлоконструкций. Для таких работ рекомендуется применять бесконтактные ЭМА толщиномеры. 

Л.А. Крутикова, ООО «ИнтроТест», Москва

Использованные документы:
1. ГОСТ 30415-96 «Сталь. Неразрушающий контроль механических свойств и микроструры металлопродукции магнитным методом»
2. Справочник «Неразрушающий контроль и диагностика», изданный РОНКД под редакцией В.В. Клюева в 2004 г.
3. «Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса подъемных сооружений при проведении их обследования и техническом диагностировании (экспертизе промышленной безопасности), РД ИКЦ "КРАН"- 007-97/02 
4. «Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений» СП 13-102-2003