DIAGNOSTYKA STOPNIA DEGRADACJI ZMĘCZENIOWEJ STALI METODĄ SPEKTROSKOPII IMPEDANCJI I REZONANSU

Transkrypt

1 Maszyny Elektyczne - Zeszyty Poblemowe N 2/215 (16) 153 Zbigniew Hilay Żuek, Politechnika Śląska, Katowice Daiusz Baon, EthosEnegy Poland S.A., Lubliniec DIAGNOSTYKA STOPNIA DEGRADACJI ZMĘCZENIOWEJ STALI METODĄ SPEKTROSKOPII IMPEDANCJI I REZONANSU DIAGNOSTICS OF STEEL FATIGUE DEGRADATION CONDITION USING IMPEDANCE SPECTROSCOPY AND RESONANCE METHOD Steszczenie: W atykule pzedstawiono podstawy teoetyczne defektoskopii magneto-indukcyjnej w nowym obszaze badań stuktuy oaz degadacji zmęczeniowej elementów ze stali feo i paamagnetycznych. Wysoką ozdzielczość pomiaów w identyfikowaniu stanu elementów metalowych uzyskano popzez analizę paametów elektycznych i magnetycznych w funkcji częstotliwości pacy sondy. Zapoponowano nisko-kosztowe ozwiązania paktyczne w postaci uządzeń i metod pomiaowych. Abstact: This aticle pesents theoetical foundations of magneto-inductive (eddy-cuent) detection in a new aea of testing the stuctue and fatigue degadation of feo and paamagnetic steel elements. High measuing esolution in identification of metal elements condition has been shown by analysis of electic and magnetic paametes as a function of pobe opeation fequency. It also pesents low-cost pactical solutions in the fom of measuing methods and equipment. Słowa kluczowe: pzetwoniki indukcyjne, mostki RLC, pomiay składowych impedancji, spektoskopia impedancji, diagnostyka ezonansowa, badania nieniszczące, NDT Keywods: inductive convetes, RLC bidges, impedance components measuements, impedance spectoscopy, esonance diagnostic, non-destuctive testing, NDT Wstęp Z punktu bezpieczeństwa eksploatacji, działań diagnostycznych i zapobiegawczych, niezbędna jest wiedza o zmianach paametów fizycznych zachodzących pod wpływem eksploatacyjnych obciążeń zmęczeniowych w mateiale elementu [1,2,3]. Eksploatacyjne obciążenia zmęczeniowe definiowane są według kzywej Wöhlea [4]. Pomiay paametów magnetycznych i elektycznych są jedną z możliwości poznania tych zmian. Zmiany te zachodzą pod wpływem obciążeń cyklicznie zmiennych powadzących do zmęczenia mateiału i jego zniszczenia [5, 6, 7, 8, 11]. Zagadnienie to zaówno na poziomie laboatoyjnym, jak i pzemysłowym jest ważne. Pomimo współistnienia wielu czułych metod do okeślania pocesu degadacji mateiału (kamea entgenowska lub neutonowa), metody magnetyczne są metodami pzyszłościowymi. Nad metodami tymi pacuje wiele światowych laboatoiów naukowych, zaówno pzemysłowych, jak i uczelnianych. Katastoficzny chaakte zniszczenia zmęczeniowego wynika z kumulacji i ozpzestzeniania się mikopęknięć ozwijających się do osiągnięcia paametów kytycznych [4, 1] ze względu na wzost obciążeń dynamicznych konstukcji. Ma on miejsce (według najnowszych badań) w końco- wym okesie czasu życia elementu, któy dla większości mateiałów nie pzekacza 5%. Istnienie pęknięć lub zmiany ich wymiau wykywane klasycznymi uządzeniami defektoskopowymi pzestało być wystaczające. W nieniszczących metodach pomiau zmian paametów magnetycznych i elektycznych, w waunkach znacznego ozwoju technik pomiau pola magnetycznego (pzetwoniki MR, GMR, Halla) następuje powót do pomiaów pzetwonikami indukcyjnymi. Pzetwoniki te mają właściwości (pomijając tempeatuę pacy), któych do tej poy nie zastąpiono. Świadczy o tym niezbicie ich zastosowanie w kosmosie. Jeśli chodzi o podstawowe teoetyczne ównania opisujące póbkę mateiału w cewce zasilanej pądem pzemiennym, zdefiniowano nowy kieunek (paamet) diagnostyki magnetycznej jak ezonans i spektoskopia impedancji dla feo i paamagnetyków. Paamet ten umożliwia umiejscowienie ozwoju uszkodzenia w czasie, nie dysponując pełnym czasowym monitoingiem ozwoju uszkodzeń zmęczeniowych i odnośnych zmian paametów fizycznych. Dotychczasowe badania i wyniki pomiaów paametów elektycznych i magnetycznych w całym pzedziale czasu eksploatacji

2 154 Maszyny Elektyczne - Zeszyty Poblemowe N 2/215 (16) były obaczone poblemem powtazania się watości miezonych w kolejnych pzedziałach czasowych. Specyfika nieliniowości zmian paametów fizycznych od pocesu eksploatacji jest główną pzyczyną tego poblemu [15]. 1. Zjawiska zmęczeniowe w stali w obazie zmian paametów magnetycznych St. pawa St. lewa Kolo niebieski (ys. 2a) to stuktua ściennie centowana (FCC), czyli austenit, czewony to feyt. Stefy najbadziej odkształcone (na lewo ściskane, na pawo ozciągane) wykazują znaczną utatę stabilności austenitu, któy podlega pzemianie fazowej w feyt. W śodkowej części (najmniej odkształconej) pozostaje pzewaga austenitu. Na obazie kątów Eulea (ys. 2b) widać tekstuę i stefy najbadziej ozdobnione w wyniku defomacji plastycznej tj. obszay skajne po lewej i pawej stonie ścianki uki. a) b) St. pawa 1.1. Udział pzemian fazowych Pzemiany fazowe są jednym z najbadziej czytelnych zjawisk zmian paametów fizycznych mateiału. Związki odkształceń plastycznych ze zmianą stuktuy i jednoczesną zmianą paametów fizycznych mateiału są szczególnie wyaźne na pzykładzie austenitycznej stali niedzewnej chomowo-niklowej (gatunek: AISI - 34, DIN , PN - H18N9). Pomiay wykonano na wycinku uki (chłodzenie silnika elektycznego podukcji KOMEL). W wyniku odkształcenia, w ściance uki (ys. 1) o gubości 1 mm wystąpiły zmiany fazowe (mechaniczne i temiczne zabuzenie stabilności austenitu) uzależnione od stopnia odkształcenia plastycznego. Na ysunku 2 pokazano mapę stuktuy fazowej wycinka uki zlokalizowanego w stefie odkształconej, zgodnie z zaznaczeniem na ysunku 1. Rys. 1. Lokalizacja wycinka uki poddanego badaniu stuktuy fazowej i kątów Eulea St. lewa Napężenia zmęczeniowe [4, 14] to odkształcenia zmieniające się w czasie od typowych obciążeń występujących w óżnych układach mechanicznych. Zmieniające się paamety fizyczne mateiału [12, 13, 15] w pocesie obciążeń zmęczeniowych, jak np. ganica plastyczności, wytzymałość na ozciąganie, spężystość, współczynniki tłumienia fali ultadźwiękowej, własności cieplne, magnetyczne i elektyczne, są następstwem tychże obciążeń. Wszystkie wymienione zmiany paametów fizycznych póbowano łączyć z pocesem zmęczenia mateiału w celu konstuowania uządzeń wykywających ten poces. Najwięcej ozwiązań konstukcyjnych powstawało w związku z potwiedzonymi istotnymi zmianami tłumienia fali ultadźwiękowej w mateiale (np. kołpaków winików geneatoów) pzed eksploatacją i po niej. Koelacja zmian paametów fizycznych z pocesem degadacji zmęczeniowej jest łatwiejsza od badań metalogaficznych, mniej uciążliwa i nieniszcząca [16, 17, 18] oaz znacznie tańsza od metod entgenogaficznych czy neutonowych. Poblem stanowi znaczne zóżnicowanie kieunku ewolucji zmęczeniowej paametów fizycznych mateiału. Rys. 2. Rozkład fazy austenitu i feytu (a), obaz kątów Eulea (b) dla wycinka na ys.1

3 Maszyny Elektyczne - Zeszyty Poblemowe N 2/215 (16) 155 Pzykład ten wskazuje na bezpośednie związki odkształcenia plastycznego ze zmianą magnesowania i pzenikalności magnetycznej nietwałego austenitu. Dodatkowo badanie kątów Eulea to jeden ze sposobów (niszczących) uwidoczniania zakesów obszaów defomacji stuktuy (obszaów degadacji zmęczeniowej). Kolo zielony na mapach fazowych to miejsca nieindeksowane pzez system pomiaowy Udział degadacji stuktuy W niektóych gatunkach stali można wskazać pzebiegi naastania zmian zmęczeniowych związane z defektami liniowymi lub punktowymi. Najpostsze z nich to linie poślizgu i składające się z nich pasma poślizgu. Doby pzykład dla ilustacji tego zagadnienia stanowi austenityczna stal chomowo-manganowa G18H18 (ASTM A289 class C, X8CMnN1818), któej paamety fizyczne zostały tak dobane składem chemicznym i pocesem obóbki, aby paamety elektyczne i magnetyczne (paamagnetyczne) nie ulegały zmianie podczas pacy, z uwagi na obecność silnego zmiennego pola elektycznego i magnetycznego. Stal chomowo-manganowa G18H18 jest stalą stabilną paametycznie. Obsewujemy w niej ozwój i pzemieszczanie zmęczeniowe linii pasm poślizgu (ys. 3) [8, 17, 18, 19] w stosunku do stuktuy początkowej, nadanej mateiałowi elementu podczas obóbki plastycznej w pocesie podukcji. W miaę wzostu liczby cykli obciążeń zwiększa się liczba pasm poślizgu i zmienia się kieunek ich ułożenia w stosunku do obazu powstałego w pocesie obóbki kucia i walcowania, w wyniku czego zmieniają się paamety fizyczne mateiału. a) b) Rys. 3. Wybane pzykłady stuktuy stali G18H18 (ASTM A289 - class C). Stuktua wejściowa (a) i po wpływie obciążenia zmęczeniowego (b) Wzost pasm poślizgu zmienia głównie pzewodność elektyczną, a także niestabilną czasowo część elaksacyjną zmian pzenikalności magnetycznej. Z innych efektów pocesu degadacji można wskazać wzost tłumienia fali ultadźwiękowej (efekt wykozystywany w enegetyce). 2. Wpływ eksploatacji na zmiany paametów magnetycznych stali (enegetyka cieplna) Chaakte obciążenia mateiału wpływa na ilościowy i jakościowy obaz zmian paametów magnetycznych. Poównano stale wejściowe i po eksploatacji w enegetyce węglowej [18, 19, 2]. Już w piewszych poównaniach stali 13HMF, 15HM oaz 2H12M1F (ys. 4, 5) obsewujemy istotne zmiany pzenikalności magnetycznej pomiędzy stanem początkowym i po eksploatacji. Należy dodać, że enegetyka dysponowała i udostępniła do badań mateiał magazynowy (z budowy instalacji), co jest zadkością w tego typu poównaniach. 35 Reµ specimen mateial befoe use 15HM befoe use 13HMF befoe use 2H12M1F effect of opeation 15HM effect of opeation 13HMF effect of opeation 2H12M1F,,5 1, 1,5 f, khz 2, Rys. 4. Pzebiegi zmian pzenikalności magnetycznej czynnej w funkcji gatunku mateiału i częstotliwości pola magnetycznego

4 156 Maszyny Elektyczne - Zeszyty Poblemowe N 2/215 (16) 12 Imµ specimen mateial befoe use 15HM befoe use 13HMF befoe use 2H12M1F effect of opeation 15HM effect of opeation 13HMF effect of opeation 2H12M1F 2,,5 1, 1,5 f, khz 2, Rys. 5. Pzebiegi zmian pzenikalności magnetycznej uojonej w funkcji gatunku mateiału i częstotliwości pola magnetycznego Znaczące zmiany paametu pzenikalności magnetycznej czynnej i bienej związane z eksploatacją zaobsewowano dla stali 15HM oaz 2H12M1F. W stali 13HMF nie wykyto istotnych eksploatacyjnych zmian paamentów magnetycznych, co wskazuje na fakt znacznego zóżnicowania eakcji mateiału, potwiedzony wielokotnie. 3. Głębokość wnikania pola magnetycznego i pądów wiowych w póbkę walcową W póbce (ys. 6) poddanej działaniu zmiennego pola magnetycznego ozkład pola magnetycznego i pądów wiowych zmienia się waz z głębokością [5, 6, 9, 17-19]. Rys. 6. Póbka cylindyczna w podłużnym polu magnetycznym uzwojenia wzbudzającego Teoetycznym punktem wyjścia do obliczeń ozkładu pola magnetycznego w póbce cylindycznej są ównania Maxwella: B H ot E = = µ µ o, (1.1) t t D E ot H = + j = εεo + γ E, (1.2) t t W mateiałach pzewodzących można pominąć wpływ pądów dielektycznych, zatem ównania (1.1) i (1.2) można zapisać: H ot E = µ µ o, (1.3) t ot H = γ E. (1.4) We wnętzu jednoodnej póbki, gdzie nie występują swobodne ładunki elektyczne, duga paa ównań Maxwella ma postać: div E =, div H =. (1.5) Po obliczeniu otacji obu ston ównania (1.4) otzymujemy: ot ot H = ot γe = γ ot E. (1.6) ( ) Z analizy wektoowej mamy: ot ot H = gad div H div gad H = (1.7) = gad div H H. Z poównania wzoów (1.6) i (1.7) otzymamy związek: H = γ ot E. (1.8) gdzie = div gad jest opeatoem Laplace'a. Wyznaczony ozkład natężenia pola wewnątz póbki opisany jest zależnością: J ( k) iωt H(, t) = H e = J k = H ( t) J J ( ) ( k). ( k ) (1.9) gdzie J jest funkcją Bessela piewszego odzaju zędu. Paamet k jest liczbą uojoną zależną od częstotliwości pola wzbudzającego. Wynika z tego, że J( k ) jest ównież funkcją zmiennej zespolonej, któej moduł i agument pzy stałej watości k są zależne od. Amplituda i faza natężenia pola magnetycznego są zatem funkcją odległości od osi póbki. Dla badzo małych częstotliwości (k<<1), funkcje J (k) 1 i J (k ) 1, więc otzymujemy: H ( ) = H (1.1) czyli pzy niskich częstotliwościach natężenie pola magnetycznego w całym pzekoju póbki i na jej powiezchni jest jednakowe i ówne natężeniu pola magnetycznego cewki pustej. Na podstawie zmian pzenikalności magnetycznej możemy analizować pocesy mechaniczne i temiczne, zachodzące podczas eksploatacji w mateiale elementu. Najpostszym pośednim sposobem badania zmian pzenikalności ma-

5 Maszyny Elektyczne - Zeszyty Poblemowe N 2/215 (16) 157 gnetycznej mateiału jest pomia zmian impedancji cewki otwatej (w NDT nazywanej pzelotową), w któej umieszczamy badaną póbkę. 4. Unomowane składowe impedancji W kontoli póbki pętowej metodą indukcyjną częste zastosowanie znajduje cewka z dwoma uzwojeniami [5, 6], pzedstawiona na ysunku 7. Często cewka magnesująca jest ównież cewką pomiaową. Rys. 7. Zasada pomiau [5, 6] Natężenie pola magnetycznego H wytwazane pzez cewkę wzbudzającą o śednicy Dw jest stałe na pzenikalności zewnętznej dzenia póbki B =µµ H. Natężenie pola magnetycznego w dzeniu maleje w kieunku osi póbki wskutek oddziaływania pądów wiowych. Waz ze zmianą natężenia pola zmienia się indukcja magnetyczna B ( ) wewnątz póbki. B( ) = µ µ oh ( ). (1.11) Zmienność natężenia pola magnetycznego w dzeniu uwzględniamy popzez dodatkową pzenikalność magnetyczną względną zespoloną µ sk H ( ) = µ = H (1.12) sk B = const = µ µ oµ sk H. (1.13) Bazując na ównaniu (1.9) wylicza się: µ = 2 J1( k) sk, k J k (1.14) ( ) gdzie J 1 jest funkcją Bessela piewszego odzaju zędu 1. Pzenikalność skuteczna µ sk zależy zatem od śednicy dzenia póbki D=2, pzewodności elektycznej właściwej γ i pzenikalności magnetycznej względnej µ mateiału póbki oaz od częstotliwości f pola wzbudzającego. Napięcie indukowane w uzwojeniu wzbudzającym zmienia się po włożeniu póbki tak samo jak impedancja uzwojenia wzbudzającego. Ponieważ E = ie oaz Z = iωl, więc: Eε Z = = i( 1 η+ η µ µ sk), (1.15) ε ωl E z czego wynikają następujące zależności dla unomowanych składowych impedancji [5, 6]: Re Eε R = = η µ ( Im µ sk), (1.16) Eε ωl ImEε ωl = = 1 η+ η µ ( Re µ sk). (1.17) Eε ωl W badaniach nieniszczących, aby pominąć kolejne staty sygnału od spzężenia pacujemy z obwodem, w któym cewka zasilająca jest jednocześnie pomiaową. 5. Diagnozowanie metodą spektoskopii impedancji i ezonansu cewki pomiaowej Ocena zmian paametów fizycznych metali i ich stopów jest często wykozystywana w diagnostyce technicznej w zakesie wykywania ozwoju zmian degadacyjnych w tych mateiałach. Pzykładem takiego diagnozowania może być ocena stanu degadacji zmęczeniowej paamagnetycznej stali kołpaka winika geneatoa. Stabilność paamagnetycznej stali G18H18 (ASTM A289 class C) ulega zmianie waz z postępem czasu eksploatacji. Wzost pasm poślizgu zmniejsza pzewodność elektyczną właściwą mateiału, a tym samym zmienia impedancję cewki pomiaowej i jej paamety ezonansowe. Zmiany pzenikalności magnetycznej są mniej znaczące. Na ysunku 8 pokazano kzywe ezonansowe dla cewki pustej i cewki pzyłożonej do powiezchni zewnętznej kołpaka. Na ysunku 9 pzedstawiono szczegół z ysunku 8 pzedstawiający zmianę ezonansu cewki dla mateiału nowego i po eksploatacji.

6 158 Maszyny Elektyczne - Zeszyty Poblemowe N 2/215 (16) R, Ω f, MHz f, MHz Rys. 8. Paamety ezonansowe cewki pomiaowej pustej (z lewej) i z mateiałem badanym R, Ω element nowy: element po eksploatacji 12 Hz, 1 khz, 1 khz, 1 khz. Podstawowe układy pacy pokazano na ysunku 11. Układy zastępcze ównoległe mają zastosowanie do pomiaów elementów o dużej impedancji, a szeegowe - o małej impedancji w celu oganiczenia stat mocy i błędów. Cewki do pomiaów diagnostycznych mają impedancję w zakesie od,5 Ω do 5 Ω, dlatego stosujemy pomia szeegowy paametów Ls, Rs. Pzykład obwodu pomiaowego pokazano na ysunku 11. Zastosowanie cewek pomiaowych w niewłaściwej konfiguacji szeegowej czy ównoległej mostka, a także zmiana konfiguacji mostka podczas pacy może powadzić do znacznych błędów [17-19]. Taki pzypadek ilustuje wynik pomiau cewką póbek feomagnetycznych podłączonych w zastępczy układ pomiaowy szeegowy (Rs, Ls) lub ównoległy (Rp, Lp). Wyniki pomiaów pokazano na ysunku f, MHz Rys. 9. Zmiana paametów ezonansu cewki z mateiałem magazynowym (nowym) i po eksploatacji 1,2 L/L 1,,8 Rys. 11. Podstawowe zastępcze szeegowe i ównolegle układy pacy mostka RLC,6,4 po eksploatacji,2, (R-R )/(ωl ),,2,4,6,8 1, Rys. 1. Zmiana pzebiegu unomowanych składowych impedancji w wyniku eksploatacji w wyższych zakesach częstotliwości powyżej 3MHz 6. Uposzczona metodyka badań Mostki pomiaowe RLC są podukowane w wielu gupach i klasach. Z punktu widzenia niniejszego opacowania skupiono się na dwóch gupach mostków RLC. W piewszej uwzględniono mostki pofesjonalne o szeokim zakesie egulacji częstotliwości, napięcia zasilania i pądu pomiaowego z automatyką pomiau i zapisów. W dugiej gupie znajdują się mostki z jednym poziomem napięcia i pądu testowania oaz oganiczonym zakesem częstotliwości pomiau, najczęściej w pzedziale 1 Hz, Rys. 12. Rozkład sygnałów pomiaowych pzy gniazdkach ozwatych V pzy stałym poziomie napięcia CV i pzy stałej watości pądu CC ωl/ωl dzeń 1, p dzeń 1, s dzeń 2, p dzeń 2, s (R-R )/ωl Rys. 13. Poównanie wyników pomiau unomowanych składowych impedancji dwóch dzeni feomagnetycznych w układzie szeegowym - s i ównoległym - p

7 Maszyny Elektyczne - Zeszyty Poblemowe N 2/215 (16) 159 Pzebiegi zamieszczone na ysunku 13 są znacznie zóżnicowane ze względu na paamety cewek i sposób ealizacji pomiau szeegowy lub ównoległy Pomiay mostkiem RLC W mostkach RLC o uposzczonej konstukcji jest ustalona liczba zakesów częstotliwości od czteech do pięciu, jeden zakes pądu oaz jeden zakes napięcia. Pzełączanie zakesów pomiaowych w obwód szeegowy lub ównoległy, zmiana paametu miezonego i zakesu częstotliwości odbywa się ęcznie. W celu wykazania wysokiego stopnia czułości i ozdzielczości pomiaowej podstawowego mienika RLC wykonano pomiay poównawcze dla óżnych paametów cewek. Mateiałem miezonym była stal węglowa stosowana w tanspocie do budowy zestawów kołowych. Na ysunku 14 pzedstawiono wynik pomiau zmian unomowanych składowych impedancji pzepowadzonego mienikiem RLC mającym jedynie 5 zakesów częstotliwości. Odpowiedni dobó liczby zwojów i ezystancji cewki zbliża pomia do pzebiegu teoetycznego. Bak pełnego zakesu częstotliwości badań nie stoi na pzeszkodzie, aby dokładnie zdefiniować paamety mateiału w pocesie eksploatacji, tzn. jego stan początkowy i końcowy. Na ysunku 14 pokazano wyniki dla zakesów częstotliwości mienika RLC: 1 Hz, 12 Hz, 1 khz, 1 khz i 1 khz. Zbieżność pomiau mostkiem RLC (5 punktów) z pzebiegiem teoetycznym uzyskano dzięki użyciu cewki pomiaowej o niskiej ezystancji uzwojenia. Cechą chaakteystyczną pzebiegu teoetycznego jest zbliżanie się wyników pomiau do zea układu współzędnych waz z pzyostem częstotliwości pacy od zea do nieskończoności. Na ysunku 15 zamieszczono wyniki pomiau póbek ze stali węglowej tym samym mostkiem, w tej samej konfiguacji, lecz pzy zastosowaniu dwóch óżnych cewek pomiaowych óżniących się liczbą zwojów, watością ezystancji i impedancji. W obu pzypadkach, w zastosowanych zakesach częstotliwości pomiaowej obsewuje się zmienione pzebiegi kzywych od wpływu udziału ezystancji cewki. Wysoka ezystancja zmienia głównie watości koodynat punktów unomowanych składowych impedancji. W zastosowaniach poównawczych stuktuoskopowych obie cewki są użyteczne, ze wskazaniem na cewkę o podwyższonej ezystancji uzwojenia ωl/ωl Hz 1 Hz stal P35/3 Hz 12 Hz 1 khz 1 Hz 1 khz (R-R )/ωl Rys. 14. Poównanie pzebiegu pomiezonego z teoetycznym P35/3 cewka 1 4 zw., 72,73 Ω P35/3 cewka 2 4 zw., 2,1 Ω ωl/ωl 12 Hz 1 Hz 1 1 khz 5 1 khz (R-R )/ωl -1, -7,5-5, -2,5, 2,5 5, 7,5 1, Rys. 15. Poównanie pomiaów póbki stalowej dla dwóch konstukcji cewek pomiaowych Zbyt wysoka ezystancja cewki uniemożliwia pomia. Watość ezystancji powinna być dobana ze względu na paamety elektyczne i magnetyczne mateiału oaz częstotliwość ganiczną. Zakes paametów cewek podany na ysunku 15 jest właściwy dla stali feomagnetycznych. 7. Badania stanu blach kzemowych dzenia stojana geneatoa Pzydatność pezentowanej metody diagnostycznej potwiedzono w badaniach paametycznych zmian blach dzenia stojana tubogeneatoa [21-25]. Pakiety skajne blach dzenia stojana geneatoa należą do elementów stefy skajnej geneatoa, na któe oddziałuje pole magnetyczne ozposzenia wytwazane pzez pądy płynące w połączeniach czołowych uzwojeń stojana i winika, wiujące synchonicznie względem stojana. Intensywność dodatkowego nagzewania się pakietów skajnych jest zależna od chaakteu obciążenia geneatoa, od któego zależy kształt dogi stumienia ozposzenia. Najbadziej niekozystne efekty tego zjawiska występują w waunkach pacy geneatoa z niedowzbudzeniem, pzy obciążeniu pojemnościowym i pądzie twonika zbli-

8 16 Maszyny Elektyczne - Zeszyty Poblemowe N 2/215 (16) żonym do znamionowego. W geneatoach dużych mocy stosowanych jest wiele metod oganiczających skutki tego zjawiska, jednak pomimo tego pzegzewanie się pakietów skajnych jest pzyczyną licznych awaii i uszkodzeń geneatoów. Na ysunku 16 pokazano pzykładowy widok pakietów skajnych dzenia stojana, z któych pobieano póbki. Poniżej zamieszczono schemat lokalizacji pakietów w stojanie [1, 18, 21, 23]. Rys. 17. Wykesy unomowanych składowych impedancji blach elektotechnicznych dla wybanych częstotliwości Pomiay potwiedziły zajście istotnych zmian paametów fizycznych w blachach pakietów skajnych eksploatowanych w tudniejszych waunkach obciążeń cieplnych w poównaniu do blach pakietów śodkowych dzenia stojana. Pakiety skajne Pakiety śodkowe Rys. 16. Widok pakietów skajnych dzenia stojana geneatoa i schemat ich lokalizacji Pomiay powadzono mostkiem RLC Agilent 4263B. Cewkę sondy pomiaowej zasilano napięciem (1 mv) o częstotliwości od 1 Hz do 1 Hz w dostępnych nastawach mostka. Z pzepowadzonych pomiaów paametów Z, R, L cewki pomiaowej wyznaczono unomowane składowe impedancji (czynne i uojone) dla częstotliwości 1 Hz, 1 Hz, 1 Hz, 2 Hz i 1 Hz (ys. 17). Kzywe unomowanych składowych impedancji wyznaczone w pięciu podzakesach częstotliwości chaakteyzują względne zmiany paametów pzenikalności magnetycznej względnej i pzewodności elektycznej właściwej mateiału. Istotne zmiany paametyczne po okesie eksploatacji wykazują póbki blachy pakietu skajnego pobane z miejsca zwacia E oaz póbki blachy po egeneacji D. 8. Pzetwonik pomiaowy na bazie modułu Texas Instuments Znakomite uspawnienie badań umożliwia zastosowanie modułu pomiaowego Texas Instuments pokazanego na ysunku 18. Moduł ten waz z ogólną metodyką opisaną pzez Daiusza Baona (EthosEnegy Poland S.A., dawniej TuboCae Poland S.A.) w pzygotowywanej pacy doktoskiej, umożliwił wykonanie testea (sondy detekcyjnej) eksploatacyjnej degadacji zmęczeniowej mateiału, o gabaycie zbliżonym do wymiau pisaka (ys. 18, 19). Rys. 18. Moduł pomiaowy z modyfikowaną cewką Uządzenie (ys. 19) posiada możliwości pomiaowe zbliżone do mostka RLC. Pototypowa sonda została zastosowana do badań nieniszczących kołpaków winików tubogeneatoów. Możliwości pomiaowe pocesu eksploatacyjnej degadacji kołpaka wiążą się głównie ze zmianą pzewodności elektycznej właściwej.

9 Maszyny Elektyczne - Zeszyty Poblemowe N 2/215 (16) 161 a) Rys. 19. Pototyp sondy detekcyjnej Wyniki pełnozakesowego pomiau zmian paametów mateiału powiezchni kołpaka wykonanego pecyzyjnym mostkiem pomiaowym HIOKI pokazano na ysunku 2. Zakes częstotliwości podyktowany był konstukcją cewki sondy detekcyjnej R, Ω element nowy: wpływ degadacji zmeczeniowej na zmianę częstotliwości ezonansowej pobki niwej i poddanej obciążeniu zmęczeniowemu f b) 3 Z. Ω element zużyty f, MHz Rys. 2. Zmiany impedancji i ezonansu badanych póbek mateiału kołpaka Widoczne zmiany impedancji i pasm ezonansowych są jednym z wyznaczników oceny stanu wyeksploatowania mateiału kołpaka. Pomia wykonany sondą detekcyjną (ys.19) pzedstawia zmiany amplitudy składowej R impedancji cewki Z, jak pokazano na ysunku 2. Na ysunku 21 podano wynik pomiau częstotliwości ezonansowej układu pomiaowego sondy detekcyjnej w miejscu kontaktu z powiezchnią kołpaka. Pezentowana sonda umożliwia badanie degadacji zmęczeniowej stali (wszystkich gatunków, zaówno feomagnetycznych jak i paamagnetycznych) i jest postą i tanią metodą badawczą stopnia wyeksploatowania ich stuktuy mateiałowej. Posiada uniwesalne możliwości, któe mogą być szeoko wykozystywane w pzemyśle. Posiada wszelkie zalety, by mogła być powszechnie stosowana w paktyce. Rys. 21. Pomia zmian ezonansu sondy detekcyjnej dla seii pomiaów (a) - powiezchni zewnętznej kołpaka (b) - powiezchni czołowej ównoległej do osi N - kołpak nowy, E - kołpak eksploatowany 9. Liteatua [1]. Baon D., Żuek Z.H.: Spektoskopia impedancji metoda oceny stopnia wyeksploatowania kołpaków winików geneatoów. Pzegląd Elektotechniczny, n 3/214, s [2]. Bozoth R.: Feomagnetism. The Institute of Electical and Electonics Enginees. IEEE Magnetics Society, Sponso, Inc., New Yok 1936, An IEEE Pess Classic Reissue, Magnetic Society, 1993, 21. [3]. Bailsfod F.: Mateiały magnetyczne. PWN, Waszawa [4]. Dietich L., Rutecka A., Kowalewski Z.: Mechanical chaacteization Fatigue and Ceep of A356+TiB 2 based MMC. IPPT Repot 29 fo INASMET w San Sebastian, Hiszpania. [5]. Föste F.: Theoetische und expeimentelle Egebnisse des magnetischen Steuflusevefahens. Mateialpüfung, 23, 1981, pp [6]. Heptne H., Stoppe H.: Magnetische und Magnetoinduktive Wekstoffpüfung, VEB Deutsche Velag fü Gundstoffindustie, Leipzig

10 162 Maszyny Elektyczne - Zeszyty Poblemowe N 2/215 (16) [7]. Janeczek T.: Diagnostyka eksploatacyjna kolejowych zestawów kołowych metodą magnetyczną. Politechnika Śląska, Wydział Tanspotu, Katowice 29 (ozpawa doktoska). [8]. Kocańda S.: Zmęczeniowe niszczenie metali. WNT, Waszawa [9]. Kakowski M.: Elektotechnika teoetyczna. PWN, Waszawa [1]. Kuzydłowski K.J.: Metody monitoowania degadacji stuktuy mateiałów. Badania mechanicznych właściwości mateiałów i konstukcji. Wykłady, Zakopane 1-13 gudnia 23, IPPT, Waszawa 23. [11]. Makuszewicz M., Miezejewski A.: Mateiały magnetyczne. Wydawnictwo Góniczo-Hutnicze, Katowice [12]. Rasek J.: Mateiały amoficzne i ich właściwości. W kęgu kystalogafii i nauki o mateiałach. Wydawnictwo Uniwesytetu Śląskiego, Katowice 22, s [13]. Sikoa R.: Elektomagnetyczne metody testowania mateii. Instytut Naukowo-Badawczy Z Tuek, Waszawa 23. [14]. Socha G.: Expeimental investigation of fatigue cacks nucleation, gowth and coalescence in stuctual steel. Int. J. Fatigue, 25, 23, pp [15]. Stake P., Walthe F., Eifle D.: PHYBAL - A new method fo lifetime pediction based on stain, tempeatue and electical measuements. Intenational Jounal of Fatigue 28 (9), 26, pp [16]. Żuek Z.H.: Badanie stanu feomagnetyków w polu magnetycznym dla diagnostyki technicznej, ELEKTRYKA. Pace Naukowe 1(6), Politechnika Radomska, Radom 23, VI Konfeencja Systemy TRANSCOMP, Zakopane, [17]. Żuek Z.H.: Wpowadzenie do elektomagnetycznej diagnostyki degadacji stali. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 212. [18]. Żuek Z.H.. Duka P.: Obwody RLC w diagnostyce i eksploatacji maszyn. Ades wydawniczy: Gliwice, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 214, PL ISBN [19]. Żuek Z.H. Duka P.: RLC cicuits fo mateial testing and NDT. Ades wydawniczy: Katowice 215, KOMEL, PL ISBN [2]. Żuek Z.H., Janeczek T., Maciejewski J.: Steel Magnetic Paametes as Mateial Fatigue Diagnostics Citeion. NDT.net, Issue 29-3, pp [21]. Żuek Z.H., Baon D.: Measuement of changes of magnetic pemeability and electic conductivity values in geneatootoetaining ings, Oficyna Wyd. Politechniki Wocławskiej, Wocław 212, pp [22]. Żuek Z.H., Baon D.: Pomia zmian watości pzenikalności magnetycznej i pzewodności elektycznej właściwej kołpaków geneatoów. XLVIII Sympozjum SME, Książ 212. [23]. Żuek Z.H, Baon. D.: Niestabilność eksploatacyjna paametów magnetycznych i elektycznych blach dzenia stojana geneatoa TWW-2-2A. Pzegląd Elektotechniczny, 214 R. 9 n 1, s [24]. Żuek Z.H, Baon. D.: Diagnostyka maszyn w tanspocie i enegetyce metodą spektoskopii impedancji. Maszyny Elektyczne - Zeszyty Poblemowe 213 n 1, cz. 1, s [25]. Żuek Z.H, Kuzydłowski J. K., Kukla D., Baon D. Mateial edge conditions of electomagnetic silicon steel sheets. Pzegląd Elektotechniczny 213 R. 89 n 2b, s Autozy d hab. inż. Zbigniew Hilay Żuek Pofeso Politechniki Śląskiej Politechnika Śląska, Wydział Tanspotu, Kateda Budowy Pojazdów zbigniew.zuek@polsl.pl mg inż. Daiusz Baon EthosEnegy Poland S.A., Lubliniec daiusz.baon@tubocae.pl