RU2308009C1

RU2308009C1 - Method of measuring residual stress in articles made of ferromagnetic materials

Info

Publication number: RU2308009C1
Application number: RU2006132213/28A
Authority: RU
Inventors: Евгений Григорьевич Гордиенко (RU); Евгений Григорьевич Гордиенко; Валерий Евгеньевич Гордиенко (RU); Валерий Евгеньевич Гордиенко
Original assignee: ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет"
Priority date: 2006-09-07
Filing date: 2006-09-07
Publication date: 2007-10-10

Abstract

FIELD: testing engineering.

SUBSTANCE: method comprises measuring the maximum value of intensity of magnetic field and determining the maximum value of the residual stress from the value of intensity of magnetic field.

EFFECT: enhanced reliability.

3 dwg

Description

Предлагаемый способ относится к способам контроля напряженно-деформированного состояния ферромагнитных материалов по остаточной намагниченности металла и может быть использован в строительстве при техническом диагностировании металлоконструкций в процессе изготовления, монтажа, эксплуатации, реконструкции и реновации; при обследовании оборудования и металлоконструкций подъемных сооружений, объектов химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, металлургических и коксохимических производств, объектов газоснабжения, объектов по хранению и переработке зерна, в машиностроении и на железнодорожном транспорте; в любых изделиях из ферромагнитных материалов.The proposed method relates to methods for monitoring the stress-strain state of ferromagnetic materials by the residual magnetization of the metal and can be used in construction for the technical diagnosis of metal structures during manufacturing, installation, operation, reconstruction and renovation; during the inspection of equipment and metal structures of lifting structures, chemical, petrochemical and oil refining industries, metallurgical and coke and chemical industries, gas supply facilities, grain storage and processing facilities, in mechanical engineering and in railway transport; in any products made of ferromagnetic materials.

Известен способ определения зон остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов, включающий измерение скачкообразного изменения магнитного поля изделия в зонах возникновения пластических деформаций под действием приложенных осевых нагрузок, одновременно или последовательно измеряют тангенциальную и нормальную составляющие напряженности магнитного поля рассеяния в одних и тех же точках контроля на наружной поверхности контролируемого изделия, а зоны остаточных напряжений определяют по равенству значений тангенциальной и нормальной составляющих напряженности магнитного поля (а.с. СССР №1727004, кл. G01L 1/12, 1991).A known method of determining zones of residual stresses in products made of ferromagnetic materials, including measuring the abrupt change in the magnetic field of the product in areas of plastic deformation under the action of applied axial loads, simultaneously or sequentially measure the tangential and normal components of the magnetic field scattering at the same control points on the outer surface of the controlled product, and the zones of residual stresses are determined by the equality of the tangent values noy and normal components of the magnetic field intensity (AS USSR №1727004, Cl. G01L 1/12, 1991).

Недостатком этого способа является ограниченная область применения: невозможность его применения в случае упругого напряженно-деформированного состояния изделия, а в случае пластического напряженно-деформированного состояния изделия позволяет определять зоны остаточных напряжений, образовавшиеся в трубопроводах только под действием изгибных и крутящих нагрузок.The disadvantage of this method is the limited scope: the impossibility of its use in the case of an elastic stress-strain state of the product, and in the case of a plastic stress-strain state of the product allows you to determine the zone of residual stresses formed in pipelines only under the action of bending and torque loads.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ определения остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов, включающий измерение максимальной величины напряженности магнитного поля, по которой определяют максимальную величину остаточных напряжений, действующих в направлении, совпадающем с направлением измеряемого магнитного поля (а.с. СССР №1779954, БИ №45 от 07.12.92 г., G01L 1/12).The closest technical solution to the present invention is a method for determining residual stresses in products made of ferromagnetic materials, comprising measuring the maximum value of the magnetic field strength, which determines the maximum value of the residual stresses acting in the direction coinciding with the direction of the measured magnetic field (A.S. USSR No. 1779954, BI No. 45 dated 12/07/92, G01L 1/12).

Недостатком этого способа является недостаточная степень его достоверности, так как он не позволяет сравнить между собой по степени опасности несколько выявленных зон концентрации напряжений (КН) (выявить самую опасную зону КН), имеющих одинаковые значения максимальных величин напряженности магнитного поля, т.е. не позволяет сравнить между собой максимальные величины остаточных напряжений, действующих в направлении, совпадающем с направлением измеряемого магнитного поля.The disadvantage of this method is the insufficient degree of its reliability, since it does not allow to compare among themselves the degree of danger of several identified zones of stress concentration (KH) (to identify the most dangerous zone of KH), having the same values of the maximum values of the magnetic field strength, i.e. It does not allow to compare with each other the maximum values of residual stresses acting in the direction coinciding with the direction of the measured magnetic field.

Дело в том, что выявленные зоны концентрации напряжений могут иметь одинаковые или близкие по значению максимальные величины напряженности собственного магнитного поля рассеяния Н_р, а максимальные величины остаточных напряжений в этих зонах могут значительно различаться. Более того, выявленные зоны концентрации напряжений с меньшими величинами напряженности магнитного поля могут иметь большие величины остаточных напряжений, чем зона с максимальной величиной напряженности магнитного поля, и поэтому могут оказаться значительно опасней.The fact is that the identified zones of stress concentration can have the same or close in value maximum values of the intrinsic magnetic field strength of the scattering H _p , and the maximum values of residual stresses in these zones can vary significantly. Moreover, the identified stress concentration zones with lower values of the magnetic field strength can have larger residual stresses than the zone with the maximum magnetic field strength, and therefore can be much more dangerous.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности контроля путем выявления зон концентрации остаточных внутренних напряжений с максимальными и близкими по величине значениями напряженности магнитного поля и сравнение этих зон между собой по степени их опасности, а также определение максимальной величины остаточных напряжений в сравниваемых зонах.The problem to which the present invention is directed, is to increase the monitoring efficiency by identifying concentration zones of residual internal stresses with maximum and close values of magnetic field strength and comparing these zones with each other according to their degree of danger, as well as determining the maximum value of residual stresses in the compared areas.

Сущность изобретения заключается в том, что для определения остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов измеряют напряженность магнитного поля Н_р и по максимальной величине Н_р определяют максимальную величину остаточных напряжений, действующих в направлении, совпадающем с направлением магнитного поля, находят зоны с максимальными и близкими по величине значениями напряженности магнитного поля, после чего ступенчато снижают или увеличивают внешние нагрузки на изделие в зависимости от условий его эксплуатации, при этом измеряют величины напряженности магнитного поля в контролируемых зонах и сравнивают их при одних и тех же нагрузках, а по максимальной величине приращения напряженности магнитного поля в этих зонах при ступенчатом изменении внешних нагрузок определяют наиболее опасную зону с максимальной величиной остаточных напряжений. Величина приращения находится как разность ΔН_р (по модулю) между величинами Н_р, полученными при ступенчатом изменении внешних нагрузок. Условия эксплуатации конструкции (изделия) определяют способ изменения действующих внешних нагрузок, например снижение (увеличение) внутреннего давления в трубопроводах, подъем (опускание) груза подъемными машинами и механизмами, приложение растягивающих (сжимающих, изгибающих, крутящих) нагрузок к элементам и узлам металлических конструкций и т.п.The essence of the invention lies in the fact that to determine the residual stresses in products made of ferromagnetic materials measure the magnetic field strength N _p and the maximum value of H _p determine the maximum value of the residual stresses acting in the direction coinciding with the direction of the magnetic field, find the zone with maximum and close in magnitude by the values of the magnetic field strength, after which the external loads on the product are gradually reduced or increased depending on the conditions of its use, this measures the magnitude of the magnetic field in the controlled areas and compares them under the same loads, and the maximum value of the increment of the magnetic field in these zones with a step change in external loads determines the most dangerous zone with the maximum value of residual stresses. The magnitude of the increment is found as the difference ΔH _p (modulo) between the values of H _p obtained by a step change in external loads. The operating conditions of the structure (product) determine the method of changing the acting external loads, for example, reducing (increasing) the internal pressure in pipelines, lifting (lowering) the load by lifting machines and mechanisms, applying tensile (compressive, bending, twisting) loads to the elements and units of metal structures and etc.

Предлагаемый способ определения остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов опробован при проведении механических испытаний образцов и при испытании внецентренно сжатой стойки и поясняется чертежами и графиками, где на фиг.1 представлен образец с исследуемыми зонами концентрации остаточных напряжений (зоны 1 и 2), на фиг.2 - графики изменения напряженности магнитного поля Н_р от прилагаемой нагрузки в зонах 1 и 2; на фиг.3 - схема установки для внецентренно сжатой стойки (фиг.3, a) и вид стойки с указанными на ней зонами контроля напряженности собственного магнитного поля рассеяния (фиг.3, б).The proposed method for determining residual stresses in products made of ferromagnetic materials was tested during mechanical testing of samples and in testing an eccentrically compressed stand and is illustrated by drawings and graphs, in which Fig. 1 shows a sample with the studied zones of concentration of residual stresses (zones 1 and 2), in Fig. .2 - graphs of changes in the magnetic field H _p from the applied load in zones 1 and 2; figure 3 is a diagram of the installation for an eccentrically compressed rack (figure 3, a) and a view of the rack with the zones of control of the intrinsic magnetic field of scattering indicated on it (figure 3, b).

При проведении механических испытаний образцов способ осуществляют следующим образом. Из стали 10ХСНД изготавливают образцы для механических испытаний. Образцы для испытаний на растяжение могут изготавливаться как из материала изделия (конструкции), так и из металла, примененного при изготовлении обследуемого изделия (конструкции). Механические испытания проводят в соответствии с ГОСТ 1497-84. Перед проведением испытаний образец устанавливают в захваты разрывной машины и проводят его растяжение со скоростью деформирования 2 мм/мин. При напряжении растяжения образца 1...10 МПа с целью фиксации напряженности магнитного поля в исходном состоянии растяжение прекращают и путем перемещения датчика (двухканального феррозондового преобразователя), подключенного к прибору (измерителю концентрации напряжений магнитометрическому ИКНМ-2ФП) вдоль оси образца замеряют напряженность магнитного поля Н_р в зонах 1 и 2. Зона 1 выбрана в минимальном сечении образца, зона 2 - по максимальному значению H_p на оси образца в неослабленном сечении, при этом площадь поперечного сечения образца в зоне 1 составляет 10 мм², в зоне 2-20 мм². Дальнейшее измерение величин Н_р при растяжении образца выполняют после каждой ступени нагружения вплоть до достижения в зоне 1 внутренних напряжений, близких к условному пределу текучести σ_0,2 для данного материала образца. После этого растяжение образца прекращают и затем ступенчато, как и при нагружении, ведут разгружение образца, фиксируя при этом напряженность магнитного поля в зонах 1 и 2.When conducting mechanical testing of samples, the method is as follows. Samples for mechanical testing are made from 10HSND steel. Samples for tensile tests can be made both from the material of the product (structure), and from the metal used in the manufacture of the test product (structure). Mechanical tests are carried out in accordance with GOST 1497-84. Before testing, the sample is installed in the grips of a tensile testing machine and is stretched at a strain rate of 2 mm / min. When the tensile stress of the sample is 1 ... 10 MPa in order to fix the magnetic field strength in the initial state, the tension is stopped and by moving the sensor (two-channel flux-gate transducer) connected to the device (magnetometric stress concentration meter IKNM-2FP) along the axis of the sample, the magnetic field strength is measured H _p in zones 1 and 2. zone 1 is selected in the minimum section of the specimen, region 2 - on the maximum value H _p on axis of the sample in the non-weakened section, the cross-sectional area of the sample in zone 1 is 10 mm ² in the zone of 2-20 mm ² . Further measurement of H _p values during tensile testing of the sample is carried out after each loading stage until internal stresses in zone 1 are reached close to the conditional yield strength σ _0.2 for a given sample material. After this, the stretching of the sample is stopped and then the sample is unloaded stepwise, as during loading, while fixing the magnetic field strength in zones 1 and 2.

Результаты проведенных исследований образцов представлены на фиг.2. Видно, что как в зоне 1, так и в зоне 2 при ступенчатом нагружении происходит уменьшение значений напряженности Н_р, а при ступенчатом разгружении - их увеличение. Однако в зоне 1, имеющей меньшее сечение, наблюдается более резкое снижение и увеличение значений Н_р при нагружении и разгружении соответственно. Так, при повышении нагрузки со 150 до 250 кг напряженность магнитного поля в зоне 1 снижается с 202 до 155 А/м, их разность ΔН_р (по модулю) составляет 47 А/м (фиг.2, точки 3 и 3'), тогда как в зоне 2 напряженность Н_р снижается с 220 до 213 А/м (фиг.2, точки 1 и 1'), при этом разность значений ΔН_р (по модулю) в этой зоне составляет 7 А/м. При снижении нагрузки с 250 до 150 кг напряженность магнитного поля в зоне 1 повышается с 115 до 147 А/м, их разность ΔHp составляет 32 А/м (фиг.2, точки 4 и 4'), тогда как в зоне 2 напряженность Н_р повышается с 207 до 210 А/м (фиг.2, точки 2 и 2'), при этом разность значений ΔHp в этой зоне составляет 3 А/м.The results of the studies of the samples are presented in figure 2. It can be seen that both in zone 1 and in zone 2, with step loading, the values of tension Н _p decrease, and with step unloading, they increase. However, in zone 1, having a smaller cross section, there is a sharper decrease and increase in the values of H _p during loading and unloading, respectively. So, with increasing load from 150 to 250 kg, the magnetic field in zone 1 decreases from 202 to 155 A / m, their difference ΔН _p (modulo) is 47 A / m (figure 2, points 3 and 3 '), while in zone 2, the tension Н _р decreases from 220 to 213 A / m (Fig. 2, points 1 and 1 '), while the difference in the values of ΔН _p (modulo) in this zone is 7 A / m. When the load decreases from 250 to 150 kg, the magnetic field in zone 1 rises from 115 to 147 A / m, their difference ΔHp is 32 A / m (Fig. 2, points 4 and 4 '), while in zone 2 the intensity N _p increases from 207 to 210 A / m (Fig. 2, points 2 and 2 '), and the difference in ΔHp values in this zone is 3 A / m.

Более резкое изменение значений Н_р в зоне 1 связано с более высокими (в 2 раза) внутренними напряжениями (вследствие ослабления сечения в два раза) при одних и тех же внешних нагрузках. Таким образом, более высокие приращения ΔH_p (по модулю) напряженности магнитного поля Н_р в зоне концентрации напряжений 1 свидетельствуют о более высоких внутренних напряжениях, чем в зоне концентрации напряжений 2. Следовательно, степень опасности выявленной зоны определяет не исходная величина напряженности магнитного поля (которая в нашем случае для менее опасной зоны 2 несколько выше (223 А/м), чем в более опасной зоне 1 (214 А/м)), а величина приращения (по модулю) значений напряженности магнитного поля ΔH_p при ступенчатом нагружении или разгружении.A sharper change in the values of H _p in zone 1 is associated with higher (2 times) internal stresses (due to weakening of the cross section by half) at the same external loads. Thus, higher increments ΔH _p (modulo) of the magnetic field strength Н _р in the stress concentration zone 1 indicate higher internal stresses than in the stress concentration zone 2. Therefore, the degree of danger of the identified zone is determined not by the initial value of the magnetic field strength ( which in our case for less dangerous zone 2 is slightly higher (223 a / m) than in the more dangerous zone 1 (214 a / m)) and the increment value (absolute value) of the magnetic field strength values ΔH _p with stepwise loading or time servation.

Результаты исследований подтвердили, что повышение (снижение) внутренних напряжений при увеличении (снижении) внешних нагрузок на образец приводит к снижению (повышению) значений напряженности магнитного поля в контролируемых зонах и, главное, что более высокому (по модулю) приращению напряженности магнитного поля отвечают более высокие остаточные внутренние напряжения, определяющие наиболее опасную из исследуемых зон, которые имели максимальные и близкие по величине начальные значения напряженности магнитного поля.The research results confirmed that an increase (decrease) in the internal stresses with an increase (decrease) in the external loads on the sample leads to a decrease (increase) in the values of the magnetic field strength in the controlled areas and, most importantly, a higher (in absolute value) increment in the magnetic field strength corresponds to high residual internal stresses, which determine the most dangerous of the studied zones, which had maximum and close in magnitude initial values of the magnetic field strength.

Предлагаемый способ определения остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов опробован также при испытании внецентренно сжатой стойки, изготовленной из стали Ст3 (фиг.3). Нагружение стойки осуществлялось на специальном стенде с помощью гидравлического домкрата мощностью до 1000 кН. Площадь поперечного сечения стойки составляла 8250 мм². В процессе испытаний к стойке прикладывалась нагрузка в 20, 70, 120, 170 и 220 кН. Нагрузка определялась по тензометрам и разности отсчетов в микрометрах. Напряжения находились по формуле, выражающей закон Гука:The proposed method for determining residual stresses in products made of ferromagnetic materials was also tested when testing an eccentrically compressed stand made of St3 steel (Fig. 3). The rack was loaded on a special bench using a hydraulic jack with a capacity of up to 1000 kN. The cross-sectional area of the rack was 8250 mm ² . During testing, a load of 20, 70, 120, 170, and 220 kN was applied to the rack. The load was determined by tensometers and the difference in readings in micrometers. Stresses were found by the formula expressing Hooke's law:

где l - длина базы тензометра, выраженная в микрометрах.where l is the length of the base of the tensometer, expressed in micrometers.

Для измерения напряженности магнитного поля были выбраны четыре зоны (точки 1, 2, 3 и 4) вблизи установленных тензометров (фиг.3, б), отвечающие напряженно-деформированным состояниям стойки с различным уровнем внутренних напряжений.To measure the magnetic field, four zones (points 1, 2, 3, and 4) were selected near the installed strain gauges (Fig. 3, b), which correspond to the stress-strain states of the rack with different levels of internal stresses.

За исходное состояние конструкции была выбрана нагрузка на стойку в 20 кН. Значения действующих внутренних напряжений σ и приращение ΔH_p (по модулю) в зависимости от увеличения ступенчато прилагаемой нагрузки для исследуемых зон 1, 2, 3 и 4 приведены в табл.1. Видно, что все элементы стойки находятся в упругом напряженно-деформированном состоянии, т.е. внутренние остаточные напряжения не превышают значений σ_m для материала стойки.For the initial state of the structure, a rack load of 20 kN was selected. The values of the acting internal stresses σ and the increment ΔH _p (modulo) depending on the increase in the stepwise applied load for the studied zones 1, 2, 3, and 4 are given in Table 1. It can be seen that all the elements of the rack are in an elastic stress-strain state, i.e. internal residual stresses do not exceed σ _m values for the rack material.

Таблица 1Table 1 Нагрузка, кНLoad, kN Исследуемые зоныStudy areas Зона 1Zone 1 Зона 2Zone 2 Зона 3Zone 3 Зона 4Zone 4 σ, МПаσ, MPa ΔН_р, А/мΔН _p , A / m σ, МПаσ, MPa ΔH_p, А/мΔH _p , A / m σ, МПаσ, MPa ΔH_p, А/мΔH _p , A / m σ, МПаσ, MPa ΔH_p, А/мΔH _p , A / m 20twenty 2,72.7 -- 8,48.4 -- 1,71.7 -- 20,320.3 -- 6060 88 1one 2525 33 55 00 6060 55 120120 1616 00 50fifty 22 1010 1one 120120 66 180180 2424 1one 7575 33 15fifteen 00 180180 4four 240240 3232 22 100one hundred 33 20twenty 1one 240240 55

По данным табл.1 прослеживается корреляция между изменением приложенных внешних нагрузок, а следовательно, и соответствующим изменением внутренних напряжений и приращением значений напряженности магнитного поля ΔH_p. С повышением уровня внутренних напряжений возрастает и приращение напряженности магнитного поля. Так, приращения напряженности ΔH_p в зоне 4, которая лежит вблизи места приложения нагрузки (фиг.3, б), значительно превосходят ΔH_p зоны 2 и особенно зон 1 и 3, где наблюдается самый низкий уровень остаточных напряжений. Так, например, в зоне 3 низким внутренним напряжениям (5, 10, 15 и 20 МПа) соответствуют и малые приращения ΔHp (0, 1, 0 и 1 А/м), тогда как в зоне 4 высоким внутренним напряжениям (60, 120, 180 и 240 МПа) соответствуют и высокие приращения ΔHp (5, 6, 4 и 5 А/м). Приращения напряженности магнитного поля в зонах 2 и 3 имеют промежуточные значения.According to table 1, there is a correlation between the change in the applied external loads and, consequently, the corresponding change in the internal stresses and the increment of the magnetic field ΔH _p . With an increase in the level of internal stresses, the increment of the magnetic field strength also increases. So, the increments in the tension ΔH _p in zone 4, which lies near the place of application of the load (Fig. 3, b), significantly exceed the ΔH _{p of} zone 2 and especially zones 1 and 3, where the lowest level of residual stresses is observed. For example, in zone 3, low internal stresses (5, 10, 15, and 20 MPa) correspond to small increments ΔHp (0, 1, 0, and 1 A / m), while in zone 4, high internal stresses (60, 120 , 180 and 240 MPa) correspond to high increments ΔHp (5, 6, 4 and 5 A / m). The increments of the magnetic field in zones 2 and 3 have intermediate values.

Из анализа экспериментальных данных следует, что все контролируемые зоны стойки находятся в упругом напряженно-деформированном состоянии. Из них самой опасной является зона 4, которой соответствует максимальные (по модулю) приращения ΔH_p и самый высокий уровень внутренних напряжений. Наименее опасной является зона 3. Можно констатировать, что более высокому (по модулю) приращению напряженности магнитного поля отвечают более высокие остаточные внутренние напряжения.From an analysis of the experimental data, it follows that all the controlled areas of the rack are in an elastic stress-strain state. Of these, the most dangerous is zone 4, which corresponds to the maximum (modulo) increments ΔH _p and the highest level of internal stresses. Zone 3 is the least dangerous. It can be stated that a higher (in absolute value) increment of the magnetic field strength corresponds to higher residual internal stresses.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет по максимальной величине приращения напряженности магнитного поля в исследуемых зонах при ступенчатом изменении внешних нагрузок определить наиболее опасную, из всех исследуемых, зону с максимальной величиной остаточных напряжений.Thus, the proposed method allows the maximum magnitude of the increment of the magnetic field in the studied zones with a step change in external loads to determine the most dangerous, of all the studied, the zone with the maximum value of residual stresses.

Claims

A method for determining residual stresses in products made of ferromagnetic materials, which consists in measuring the maximum value of the magnetic field strength, which determines the maximum value of the residual stresses acting in the direction coinciding with the direction of the measured magnetic field, characterized in that the magnetic field is measured on the product, find zones with maximum and close values of magnetic field strength, reduce or increase external loads on it, measure t are the magnitudes of the magnetic field in the controlled areas and compare them under the same loads, and the maximum value of the increment of the magnetic field in these areas after reducing or increasing external loads determines the most dangerous zone with the maximum value of residual stresses.