Магнитный способ определения осевых механических напряжений сложно нагруженного магнетика

Изобретение относится к области измерения механических осевых напряжений в элементах металлоконструкций. Магнитный способ определения осевых механических напряжений сложно нагруженного магнетика может быть использован для измерения осевых напряжений, возникающих в процессе эксплуатации газонефтепроводов, водопроводных систем, теплотрасс и других металлоконструкций, в которых есть внутреннее давление. Определяют механические осевые напряжения в металлоконструкциях путем намагничивания и измерения изменения напряженности магнитного поля рассеяния остаточно намагниченных участков после изменения величины варьируемой нагрузки. Участки металлоконструкции намагничивают при исходном значении величины результирующего напряжения, измеряют с помощью магнитометра величину напряженности магнитного поля рассеяния, уменьшают одну из составляющих напряжения и снова восстанавливают ее величину в исходное состояние, по изменению напряженности магнитного поля рассеяния в результате уменьшения и восстановления величины варьируемой нагрузки и ранее полученному градуировочному графику на моделях для тех же марок сталей, определяют действующие в области магнитных меток осевые механические напряжения. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения, простота реализации способа, быстрота обработки полученных результатов. 2 ил.

 

Изобретение относится к области измерения механических напряжений в элементах металлоконструкций и может быть использовано для измерения осевых напряжений, возникающих в процессе эксплуатации газонефтепроводов, водопроводных систем, теплотрасс и других металлоконструкций, в которых создано внутреннее давление.

Известен способ измерения напряжений в элементах стальных конструкций (А.С. SU 731324, МКИ 2 G01L 1/12, опубл. 1980).

Способ заключается в том, что исследуемый участок металлоконструкции с помощью дополнительного приспособления нагружают (или разгружают) на величину Δσ поэтапно, вначале на Δσ₁ (первая ступень), затем на Δσ₂ (вторая ступень). Для каждой ступени фиксируют соответствующее изменение сигнала ΔU₁ и ΔU₂ на выходе электромагнитного датчика. Соответственно для каждой ступени измеряют значения первой производной зависимости выходного сигнала датчика от приложенных напряжений. Берут среднее арифметическое значение первых производных, полученных на каждой ступени нагружения. Численное значение второй производной получают по изменению первых производных.

Величину и знак искомых напряжений определяют, решая систему уравнений.

Недостатком метода является низкая точность измерения, отсутствие строгой корреляции между используемыми формулами и результатами эксперимента.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения полей напряжений в деталях из ферромагнитных материалов, который основан на зависимости относительного изменения амплитуды магнитного поля остаточно намагниченного участка металлоконструкции от величины приложенных напряжений (Патент RU 2154262, МПК 7 G01L 1/12, опубл. 2000).

Способ основан на эффекте магнитоупругой памяти и заключается в следующем. Деталь или элемент металлоконструкции, в которой определяют напряжения, предварительно размагничивается. Затем в ненагруженном элементе производится с помощью электромагнита и импульсного генератора тока или постоянного магнита локальное намагничивание выбранных участков (наносится матрица магнитных меток) на интересующий участок поверхности или на всю деталь. Производится сканирование поверхности детали датчиком магнитного поля, соединенного с магнитометром, с записью магнитограмм самописцем. Затем производится нагружение, повторное сканирование поверхности детали и запись магнитограмм матрицы меток после нагружения. Далее определяется величина относительного изменения амплитуды магнитных меток (Н_r0-Н_ri)/H_r0 до и после нагружения.

Распределение полей действовавших напряжений строится в соответствии с матрицей магнитных меток по величине относительного изменения амплитуд напряженности магнитного поля магнитных меток и градуировочной кривой.

Недостатком такого способа является необходимость определения величины напряженности магнитного поля Н_r0 для ненагруженной металлоконструкции, что для находящихся в эксплуатации металлоконструкций сделать физически не возможно.

Предлагаемое изобретение предназначено для решения задач оперативной оценки величины механических осевых напряжений в эксплуатируемых металлических трубопроводных системах.

Техническим результатом изобретения являются повышение точности измерения, простота реализации способа, быстрота обработки полученных результатов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения осевых механических напряжений в металлических конструкциях путем намагничивания их участков в форме матрицы магнитных меток и измерения напряженности магнитного поля рассеяния остаточно намагниченных участков до и после нагружения, особенностью является то, что металлическую конструкцию, одновременно испытывающую несколько видов напряжений (сложно нагруженное состояние), например металлический трубопровод, имеющий исходное внутреннее давление и осевые механические напряжения намагничивают на выбранном участке в виде матрицы магнитных меток, измеряют напряженность магнитного поля рассеяния, уменьшают и снова восстанавливают внутреннее давление до исходного значения и по изменению напряженности магнитного поля рассеяния и ранее полученному градуировочному графику на моделях для тех же марок сталей определяют действующие в области магнитных меток осевые механические напряжения.

Повышение точности измерений предлагаемым способом обусловлено учетом величины имеющихся в металлоконструкции механических напряжений. Быстрая обработка полученных результатов и определение величины действующих в металлоконструкции механических напряжений обусловлено тем, что до начала обследований получают градуировочный график зависимости изменения сигнала магнитометра от величины механической нагрузки при фиксированной величине изменения одной из составляющих напряжений и вносят эти результаты в ЭВМ. И уже, используя оперативные возможности компьютера, можно получить конечный результат измерений - величину одной из составляющих механических напряжений, действующих в сложно нагруженной металлоконструкции.

Физическая сущность метода заключается в монотонном необратимом уменьшении эффекта магнитоупругого размагничивания сложно нагруженного магнетика (необратимого изменения напряженности магнитного поля рассеяния ΔН после уменьшения-увеличения одной из составляющих нагрузки) при уменьшении величины его осевой механической нагрузки.

На фиг.1 представлен график зависимости необратимого изменения напряженности магнитного поля ΔН рассеяния магнитной метки на модели магистрального трубопровода из стали 09Г2С от величины механической нагрузки (осевое растяжение) за цикл уменьшения-увеличения варьируемой нагрузки, создаваемой изменением внутреннего давления, где кривая 1 соответствует изменению давления ΔР=7,5 МПа, кривая 2 - 12,5 МПа, кривая 3 - 25 МПа.

На фиг.2 представлена матрица полюсов локально намагниченных участков (магнитных меток) исследуемого участка металлического трубопровода, позволяющая уменьшать влияние внешнего поля Земли или поля лаборатории, краевого эффекта на результаты измерения.

При использовании матрицы магнитных меток создается участок одного направления намагниченности, чередующийся с участком противоположного направления намагниченности, расположенный между метками. Поэтому в результате действия внешнего магнитного поля на магнитную метку уменьшается остаточная намагниченность одного полюса (например, N), но увеличивается остаточная намагниченность другого полюса (S). В целом амплитуда магнитной метки не изменяется.

Из фиг.1 видно, что изменение напряженности магнитного поля рассеяния ΔН намагниченного участка после уменьшения - увеличения давления зависит от величины существующих осевых механических напряжений σ. Абсолютное изменение напряженности магнитного поля рассеяния ΔН тем больше, чем больше амплитуда изменения давления.

Способ осуществляется следующим образом.

Участок металлической конструкции, одновременно испытывающей несколько видов напряжений (сложнонагруженное состояние), например металлический трубопровод (газо-, нефтепровод и др.), имеющий исходное внутреннее давление (кольцевые напряжения) и осевые механические напряжения, намагничивается. Для исключения внешнего магнитного поля наносится матрица магнитных меток (матрица локальных намагниченностей), например в виде, представленном на фиг.2.

Намагничивание в форме матрицы магнитных меток осуществляется либо постоянными магнитами или электроимпульсным намагничивающим устройством при их контакте с поверхностью участка трубопровода, а величина максимумов напряженности магнитного поля рассеяния в соседних полюсах намагниченности измеряется магнитометром, например, в точке 1-H_1max и в точке 2-Н_2mах. Определяют разность ΔH=H_1max-H_2max экстремальных значений напряженности магнитного поля рассеяния в этих точках, которая является двойной амплитудой изменения напряженности магнитного поля рассеяния при переходе от одной метки к другой. Затем величину одной из составляющих нагрузки уменьшают и снова возвращают ее в исходное значение, с последующим повторным измерением напряженностей магнитного поля рассеяния Н'_1max и H'_2max в тех же точках соответственно. На примере трубопровода, который в процессе эксплуатации одновременно испытывает осевые и кольцевые напряжения, можно изменять кольцевые напряжения путем изменения внутреннего давления в трубопроводе этапными перекачивающими станциями. По изменению двойной амплитуды напряженности магнитного поля рассеяния ΔН-ΔН', которое происходит в результате снятия и возвращения в исходное состояние величины внутреннего давления, и ранее полученному градуировочному графику на моделях для тех же марок сталей, определяют действующие в области магнитных меток осевые механические напряжения.

Способ определения осевых механических напряжений в металлической конструкции, одновременно испытывающей несколько видов напряжений и имеющей исходное внутреннее давление и осевые механические напряжения, включающий намагничивание на выбранном участке в виде матрицы магнитных меток, измерение напряженности магнитного поля рассеяния, уменьшение и восстановление внутреннего давления до исходного значения и определение действующих в области магнитных меток осевых механических напряжений по изменению напряженности магнитного поля рассеяния и ранее полученному градуировочному графику на моделях для тех же марок сталей.