Polskie innowacyjne metody nieniszczącej diagnostyki elementów stalowych - podstawy, zastosowanie, korzyści

Transkrypt

1 Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących Polskie innowacyjne metody nieniszczącej diagnostyki elementów stalowych - podstawy, zastosowanie, korzyści dr hab. Bolesław Augustyniak Prezes Zarządu NNT Sp. z o.o. IK Warszawa

2 Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących AGENDA Obszary działania Podstawy proponowanych metod (ABC) Przykłady zastosowań Podsumowanie 2

3 Obszary działania NNT Diagnostyka stanu elementów stalowych z wykorzystaniem efektów magnetycznych Produkcja aparatury Szkolenia Diagnostyka Doradztwo i ekspertyzy 3

4 Badania NISZCZĄCE pobranie próbki badania w laboratorium Badania NIENISZCZĄCE na obiekcie -> nieciągłości Innowacyjne magnetyczne BN dużo punktów pomiarowych bardzo niskie koszty badania Uo E T ->właściwości mechaniczne ->mikrostruktura H - naprężenia - degradacja - nieciągłości

5 Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących Cele badania i wykorzystane zjawiska fizyczne 1. Naprężenie 2. Degradacja 3. Nieciągłości efekt Barkhausena (EB) emisja magneto-akustyczna (EMA) prądy wirowe (PW) magnetyczne pole rozproszone (MPR) impulsy magnetostrykcyjne (IM) 5

6 Proces magnesowania Fe-Si stal krzemowa, efekt Kerra m/dev/images/dipole1.jpg Magnesowanie = ruch granic domen (GD) i obroty magnetyzacji Histereza B(H) : kotwiczenie i odkotwiczenie GD od defektów struktury > efekt Barkhausena (EB) i emisja magnetoakustyczna (EMA) 6

7 Struktura magnetyczna stali perlitycznej M. G. Hetherington at all, High-voltage Lorentz electron microscopy studies of domain structures and magnetization process in pearlitic steel ; Phil. Mag. B, 56, (5), (1987)

8 Skokowy ruch granicy domenowej (GD) skok indukcji DB impuls fali elektromagnetycznej skokowy ruch GD efekt Barkhausena

9 1919 Efekt Barkhausena cewka magnesująca Cewka detekcyjna Próbka ferromagnetyka Skokowy ruch granicy domenowej -- > skokowa zmiana indukcji magnetycznej B - > indukuje się impuls napięcia w cewce detekcyjnej -> szum Barkhausena B (T)

10 ABC podstaw fizycznych Proces magnesowania (5) Emisja magnetoakustyczna EMA Histereza odkształcenia magnetostrykcyjnego kotwiczenie granic typu 90 o przez defekty U EMA 100 d dh dh dt Skokowy ruch granicy typu 90 o generuje impuls akustyczny dźwięku. Sumaryczny efekt emisja magnetoakustyczna (EMA) Detekcja EMA przetwornik piezoelektryczny

11 Proces magnesowania efekt EB i EMA EB ruch 180 oraz 90 deg DW MAE ruch głównie 90 deg DW

12 Zasada badania konstrukcji z wykorzystaniem efektu Barkhausena EB oraz emisji magneto-akustycznej EMA A A fale elektromagnetyczne B fale akustyczne 1 czujnik EMA 2 czujnik EB 3 sprzężenie akustyczne 4 elektromagnes jarzmowy

13 Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących Badanie naprężeń efekt Barkhausena 13

14 Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących Aparat do pomiaru natężenia EB typ MEB2C ferryt, 2 cewka detekcyjna, 3 magnes, 4 cewka magnesująca, 5 cewka kontrolna, 6 sprężyna, 7 - obudowa

15 Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących Aparat do pomiaru natężenia EB typ MEB2D 1- antena ferrytowa 2 cewka detekcyjna 3 magnesy 4 cewka magnesująca 5 sprężyny 6 - obudowa 15

16 Nowe możliwości Badanie naprężeń sondą EB z wirującym polem magnetycznym 16

17 Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących Składniki naprężenia w polikrysztale s I makroskopowe, długo zasięgowe s II mikroskopowe o zasięgu wewnątrz ziarna s III submikroskopowe o zasięgu wokół defektów struktury (dyslokacje, wydzielenia)

18 Wpływ naprężeń na strukturę domenową, magnesowanie i EB Naprężenie wprowadzają anizotropię struktury domenowej Naprężenia ściskające utrudniają magnesowanie Naprężenia rozciągające ułatwiają magnesowanie WNIOSEK: natężenie EB mierzone w danym kierunku zależy od stanu naprężeń: wzrasta dla rozciągania i maleje dla ściskania 18

19 Wpływ odkształceń jednoosiowych na EB Uc napięcie skuteczne, Un szybkość zliczania impulsów, Rc, Rn całki z natężenia

20 Funkcje kalibracji pierwotne i odwrotne (normalizowane) X IntUb( ) IntUb( 0)

21 Int Ub Wyznaczanie stanu naprężenia dla stali izotropowej szukanie ekstremów rozkładu kątowego -> składowe główne naprężenia Składowe Xma i Xmi eps [ 1E-3] 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0,6-0,8-1,0 eps = A1 exp (B1*X) - A2 exp (-B2*X) + C -1,2 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 X Int Ubma Int Ubmi X IntUb IntUb f ( X 1 ma f ( X 2 mi ) ) E s1 2 1 E s

22 Wyznaczanie stanu naprężenia dla stali anizotropowej Interpolowane zależności (X) dla kątów f od 0 0 do 90 0 X IntUb IntUb f ( X ) Rozkłady kątowe EB : 1- średnia z wielu rozkładów na płycie bez spoiny (odniesienie) 2 wartość zmierzona na płycie w danym punkcie, s s 1 2 F F 1 2 x x, y x,, y y,,

23 Naprężenia w złączu doczołowym x [mm] s y [MPa] y [mm]

24 Pełna informacja o stanie naprężeńmapa wektorowa składowych głównych 24

25 Pomiar naprężeń w łopatkach wirnika

26 Ropociąg s[ MPa ] os ob L

27 Płyta stalowa po walcowaniu prostującym 27

28 28

29 Porównanie EB z innymi metodami pomiaru naprężenia 29

30 Mamy uznanie dla metody przez PRS 30

31 Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących metoda NNT pomiaru naprężeń z efektem EB zalety i korzyści: nie wymaga pracochłonnego przygotowania powierzchni - pomiar możliwy jest poprzez powłoki malarskie i lakiernicze, bardzo krótki czas badania (kilka sekund), charakteryzuje się dużą rozdzielczością w MPa, pozwala na tworzenie map naprężeń, umożliwia badanie elementów zakrzywionych. 31

32 Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących Detekcja degradacji - emisja magneto-akustyczna EMA (ferromagnetyki) - prądy wirowe PW (austenity) 32

33 EMA -Detekcja degradacji po eksploatacji Ua [ V ] s0 2 s9 3 s Ug [ V ] Stal 10H2M, przegrzewacz pary

34 Int (Ua) [au] Całka z obwiedni Zmiana natężenia EMA po deformacji plastycznej i przyśpieszonym pełzaniu Plastic deformation Creep [%] P91 13HMF S3 def. plast NE, S5 pełz. NE, S1 pełz. 76 th,s4 pełz. 144 th T = 500 o C, s= 180 MPa

35 Detekcja degradacji w rurociągach pary - EMA

36 EMA rurociągu pary Chwilowe natężenie EMA w funkcji napięcia generatora prądu (połowa cyklu magnesowania) zarejestrowane we wskazanych obszarach Całki z natężenia EMA wyznaczone we wskazanych obszarach

37 Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących Detekcja degradacji - emisja magneto-akustyczna EMA (ferromagnetyki) - prądy wirowe PW (austenity) 37

38 Prądy wirowe U3 U2 Uo = <U4> 38

39 Sygnał wyjściowy miernika ECTv1

40 Badanie rozkładu PW na powierzchni wycinków rur przegrzewacza po eksploatacji (stal 321) A B C D E F Rozkład kątowy PW dla stanu dostawy (N) Przyrosty sygnału PW względem stanu próbki N dla 6-ciu próbek eksploatowanych. Wykres w funkcji temperatury eksploatacji (T) oraz przewidywanego resztkowego czasu eksploatacji (t) Przykładowe rozkłady kątowe PW dla próbek po eksploatacji

41 Badanie przegrzewaczy ze stali austenitycznych (PW) miernikiem ECTv3

42 Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących Detekcja degradacji metodami NNT zalety i korzyści: nadają się do łatwej aplikacji w środowisku przemysłowym, EMA daje informację z całej objętości badanego materiału, są rozwiązaniem pionierskim w skali światowej. 42

43 Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących Detekcja nieciągłości - pomiar magnetycznego pola rozproszonego MPR - impulsy magnetostrykcyjne 43

44 Wyciek pola magnetycznego

45 Badanie nieciągłości w okolicy spoin rurociągu (MPR)

46 Badanie nieciągłości w złączu spawanym b Rozkład składowej stycznej Bx nad złączem spawanym magnesowanym w kierunku osi x Rozkład składowej stycznej Bx nad spoiną złączem spawanym magnesowanym w kierunku osi x

47 Badanie nieciągłości w spoinie złącza spawanego Radiogram obszaru złącza z wadą typu łańcucha pęcherzy Mapa rozkładu składowej Bx (styczna do powierzchni w kierunku prostopadłym do osi spoiny w obszarze grani spoiny z wadami wewnętrznymi typu łańcucha pęcherzy

48 Impulsy magnetostrykcyjne 48

49 Sygnał echa IM dla rury z wadami (długość L = 15 m) Detekcja bezkontaktowa wad w rurach metodą impulsów magnetostrykcyjnych (IM)

50 Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących Detekcja nieciągłości metodami NNT zalety i korzyści: są w wielu przypadkach szybsze i łatwiejsze do zastosowania niż UT i XRD, dedykowane są szczególnie do zastosowań, gdzie potrzebne jest skanowanie większych obiektów np. rurociągi, szyny, płyty pozwalają na wyznaczenie charakterystyki geometrycznej wykrytych nieciągłości 50

51 Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących PODSUMOWANIE Nasze metody umożliwiają przejście od wykrywania nieciągłości do przewidywania, gdzie mogą wystąpić, co przekłada się na: poprawę efektywności kosztowej, minimalizowanie ryzyka awarii, poprawę bezpieczeństwa osób i mienia, wydłużenie czasu eksploatacji urządzeń i konstrukcji, wydłużenie czasokresów pomiędzy remontami postojowymi. 51

52 Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących Dziękuję za uwagę zapraszam do współpracy i na konferencję DMIUT 52

53 Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących trwałość i niezawodność materiałów i urządzeń technicznych zużycie eksploatacyjne, procesy degradacji i niszczenia materiałów diagnostyka stanu materiałów i obiektów w gospodarce morskiej, energetyce i transporcie, diagnostyka komputerowa. DMIUT