Prace badawczo-rozwojowe metody magnetycznej pamięci metalu

Transkrypt

1 Prace badawczo-rozwojowe metody magnetycznej pamięci metalu MOTYWACJA METODA MPM ANALIZA SWOT/TOWS METODY MPM WYNIKI BADAŃ Identyfikacja właściwości magnetycznych i magnetomechanicznych materiału Rozwinięta analiza danych MPM Nowe czujniki i techniki rejestracji sygnału MPM Oprogramowanie doradczo-eksperckie WNIOSKI Mirosław WITOŚ ITWL Warszawa XV Konferencja Naukowo-Techniczna Projektowanie, Innowacje Remontowe i Modernizacje w Energetyce PIRE listopada 2014, Ustroń

2 Motywacja W Polsce: a) ponad 70% bloków energetycznych opalanych węglem ma przekroczoną pierwotną trwałość eksploatacyjną (resurs techniczny), b) istnieją poważne zaległości w modernizacji sieci przesyłowych dekapitalizacja techniczna sieci przesyłowej 220 kv przekracza 87%, c) nie ma wystarczających środków finansowych na budowę nowych mocy energetycznych. Dane Eurostat z 2012 i referat prof. K. Żmijewskiego na seminarium Szanse realizacji Pakietu Klimatyczno-Energetycznego z 2010 Problem decyzyjny: 1. Jak bezpiecznie przedłużać trwałość eksploatacyjną obiektów technicznych stosowanych w energetyce? 2. Które metody badań NDT, SHM i PHM należy stosować?

3 Motywacja W energetyce większość elementów krytycznych jest wykonana z materiałów ferromagnetycznych lub metastabilnych stali austenitycznych metody magnetyczne NDT. Metoda MPM - unormowana metoda badań nieniszczących (NDT), realizowanych na bazie pomiaru i analizy zastanego namagnesowania materiału i detekcji anomalii magnetycznych: a) PN-ISO :2009P Badania nieniszczące. Magnetyczna pamięć metalu. Część 1. Słownictwo (wprowadza ISO :2007) b) PN-ISO :2008P Badania nieniszczące. Magnetyczna pamięć metalu. Część 2. Wymagania ogólne (wprowadza ISO :2007) c) PN-ISO :2009P Badania nieniszczące. Magnetyczna pamięć metalu. Część 3. Kontrola złącz spawanych (wprowadza ISO :2007) Aplikacja metody MPM w Polsce metoda MPM jest kojarzona z produktami firmy Energodiagnostyka Sp. z o.o., m.in.: Rejestrator IKN-3M-12 (do 16 kanałów) Sonda Typ 1-8M (4 magnetometry 2D, enkoder inkrementacyjny) Sonda Typ 2M (2 magnetometry 2D, enkoder inkrementacyjny) Oprogramowanie MMM-System

4 Motywacja Metoda MPM na podstawie normy: a) PN-ISO :2008P zastąpiła normy: 1) PN-M-69740:1958P Spawanie. Próba łamania płaskiego złącza doczołowego o grubości powyżej 4 mm, 2) PN-M-69741:1958P Spawanie. Próba łamania złącza kątowego ze spoiną pachwinową. b) PN-ISO :2009P zastąpiła normę PN-EN-970:1999P Spawalnictwo. Badania nieniszczące złącz spawanych. Badania wizualne Norma PN-ISO 24497:2:2008P została częściowo zastąpiona przez normę PN-EN ISO 9017: E Badanie nieniszczące spawanych złącz metali. Próba łamania, opublikowaną z statusem aktualna uznaniowa. Czy metoda MPM jest wiarygodna do oceny jakości i stanu technicznego spoin?

5 Motywacja Czym jest strefa koncentracji naprężeń (SKN) wykrywana w metodzie MPM? Metodologia MPM oceny spoiny i strefy HAZ pomija wpływ zmiany: składu chemicznego mikrostruktury (typu i rozmiaru ziarna) na właściwości magnetyczne i magnetomechaniczne materiału B p (x,y,z) = μ 0 H p (x,z,y) B p (x,y,z) = k(h, N, μ r ) B m (x,y,z) B m =B +B ch +B s Wnioskowanie tylko z analogii kształtu rozkładu zmierzonego pola magnetycznego i teoretycznego rozkładu naprężeń nie gwarantuje wiarygodnej diagnozy badań MPM!

6 Motywacja Symptom MPM = f loc μ r, H c, B r, W h, H s, M s, λ, ω, S ω, t lokalne własności magnetyczne f avg μ r, H c, B r, W h, H s, M s, λ, ω, S ω, t? średnie własności magnetyczne Symptom MPM f loc %Fe α, %Fe γ, %faz i wtrąceń, d, ρ d, σ r, t f avg %Fe α, %Fe γ, %faz i wtrąceń, d, ρ d, σ r, t lokalne parametry struktury średnie parametry struktury? Symptom MPM f loc R p0.2, R p1.0, R m, A 5, KV, HV, σ y, σ u, t f avg R p0.2, R p1.0, R m, A 5, KV, HV, σ y, σ u, t lokalne własności mechaniczne średnie własności mechaniczne Czy jest możliwe prognozowanie stanu technicznego obiektów tylko na bazie badań MPM?

7 3 2 1 R DIAGNOZA Koszty Bezpieczeństwo Magnetostatyka (detekcja A, P, I) A P I B m = μ 0 H E + M M M 0 + ΔM H + ΔM T + ΔM σ + ΔM D + ΔM t Magnetyzacja naprężeniowa i wpływ historii eksploatacji Metoda MPM S = A + P + I Dekompozycja sygnału B p = B i + B r S Składowa indukowana Namagnesowanie szczątkowe Pomiary pola magnetycznego (pasywny magnetyczny obserwator stanu) B p = μ 0 H p = f M, h + ΔB noise -2

8 Analiza SWOT/TOWS metody MPM SWOT jedna z najpopularniejszych heurystycznych technik analitycznych, służąca do porządkowania informacji. Technika analityczna SWOT polega na posegregowaniu posiadanej informacji o zagadnieniu na cztery grupy (kategorie): S (Strengths) mocne strony: wszystko co stanowi atuty, zaletę W (Weaknesses) słabe strony: wszystko to co stanowi słabość, ograniczenie, wadę, O (Opportunities) szanse: wszystko to co stwarza szansę korzystnej zmiany, T (Threats) zagrożenia: wszystko to co stwarza niebezpieczeństwo zmiany niekorzystnej. S O Min. W T Decyzja Wiedza Informacja Dane pomiarowe Obiekt badań (black box): 1. nieznany stan techniczny 2. nieznany stan energetyczny 3. nieznane dane materiałowe 4. nieznane założenia konstrukcyjne 5. nieznane źródło magnesowania naturalnego Szczegółowe wyniki analizy SWOT/TOWS metody MPM były prezentowane m.in. podczas szkolenia Metoda Magnetycznej Pamięci Metalu MPM 1+2, Instytut Spawalnictwa, Gliwice,

9 Mocne strony metody MPM Pamięć ferromagnetyka i efekty magnetomechaniczne B [T] B r H [A/m] t [s] B = μ 0 (H+M) B =B i + B r B r σ, N B 1 σ + A σ ln(n) m B = μ 0 (H+M) ΔB σ = B i (σ) + B r (σ,n) M.F. Fischer, Note on the effect of repeated stresses on the magnetic properties of steel. Bureau of Standards Journal of Research, 1928, Vol. 1, No. 5, pp

10 Mocne strony metody MPM Bardzo wysoka czułość parametrów magnetycznych na zmiany mikrostruktury i odkształcenia H c ρ d, d 1 L i 1, σ r B r, μ rmax ρ d 1, d μ i L i 2, σ r 1 gdzie: H c siła koercji B r remanencja m rmax maksymalna przenikalność magnetyczna m i początkowa przenikalność magnetyczna d średnia średnica ziarna L i okresowość odległości między centrami naprężeń wewnętrznych ρ d gęstość dyslokacji r naprężenia wewnętrzne odwzorowujące niejednorodność rozkładu energii magnetoelastycznej, Do diagnozowania jakości mikrostruktury są stosowane pasywne i aktywne metody magnetyczne i elektromagnetyczne.

11 Mocne strony metody MPM Metody magnetyczne (aktywne i pasywne) Skład chemiczny Obróbka cieplno-mechaniczna Początkowa struktura materiału Materiał B < 1T Początkowe własności mechaniczne Początkowe własności magnetyczne - Jakość produkcji + + Oczekiwane własności magnetyczne

12 Mocne strony metody MPM Metody magnetyczne w NDT i SHM Skład chemiczny Obróbka cieplno-mechaniczna Historia eksploatacji (poziom wytężenia, liczba cykli obciążenia i przeciążenia, błędy remontowe i eksploatacji) Czynniki środowiskowe (temperatura, korozja, erozja, kawitacja, prom. γ) Materiał Początkowa struktura materiału Czas eksploatacji Bieżąca struktura materiału Początkowe własności mechaniczne Początkowe własności magnetyczne Bieżące własności magnetyczne Bieżące własności mechaniczne + Prognoza stanu technicznego + - Bieżący - stan techniczny + + Oczekiwane własności magnetyczne

13 Mocne strony metody MPM Prace badawcze firmy Energodiagnostyka W 2011 r. pod nadzorem TUV Rheinland InterCert (Budapeszt) zostały przeprowadzone badania laboratoryjne i badania przemysłowe w celu wykazania efektywności metody MPM i jej dopuszczenia do diagnozowania obiektów przemysłowych. Badania laboratoryjne, wykonane w ISD DUNAFERR (Budapeszt) na zrywarce MBK-MVO-51, obejmowały: a) porównawcze badanie nieniszczące oraz niszczące metodami MPM i UT na spoinach rur i blach wykonanych ze stali niskowęglowej, b) badanie wytrzymałości stalowych próbek na rozciąganie z jednoczesnym zapisem naprężeń i odkształceń oraz rejestracją rozkładu pola magnetycznego c) badania metodą MPM i dynamometrem stanu naprężeń i odkształceń stalowych próbek w warunkach utraty ich stabilności. Badania przemysłowe, wykonane w polskich elektrowniach: GDF Suez Połaniec, Tauron Wytwarzanie S.A. El. Jaworzno II i Jaworzno III, obejmowały porównawcze badania NDT wykonywane metodami MPM, defektoskopią ultradźwiękową (UT), defektoskopią prądami wirowymi (ET), pomiaru twardości (TW) i metodą replik metalograficznych. Na podstawie przeprowadzonych badań sporządzono raport z testów walidacyjnych nr V II 3420 i wydano certyfikat TUVRheintan InterCert nr 01/202 HU/V , w którym: a) potwierdzono, że metoda MPM spełnia wymagania normy ISO-24497:2007 (część 1 3), b) stwierdzono, że metoda MPM jest szybką metodą odpowiednią do określania spiętrzeń naprężeń i odkształceń konstrukcji stalowych oraz wyposażenia spawalniczego w miejscach, gdzie oznaczenie jakości i ilości odkształceń wymaga zastosowania dodatkowych metod badania materiałów.

14 Mocne strony metody MPM : Eksperymenty czynne na Politechnice Śląskiej Prace realizowane przez zespół dr. inż. Macieja Roskosza w ramach Strategicznego Programu Badawczego Zaawansowane technologie pozyskiwania energii i prac magisterskich. LOAD F(t) A 0 60 X BARKHAUSEN B 140 NOISE MEASUREMENT LINE 200 Ht,y Measuring segment R Y F(t) LOAD Hn,z 700 B E dh [A/m] n = 0.3 r 0 MPa F=0 N n (0.3; 0.5) r p - 50 B H After [MPa] Naprężenia I rodzaju B H2 Porównanie metody MPM z: - defektoskopią rentgenowską - metodą szumu Barkhausena - replikami Analiza ilościowa σ eqv =f(dh/dx) stal 16Mo3

15 Mocne strony metody MPM : Eksperyment czynny na Politechnice Warszawskiej projekt MONIT Monitorowanie stanu technicznego konstrukcji i ocena jej żywotności, POIG Magnetometr 3D Komputerowo sterowana siła F 1 i F 2 Pomiar: odkształceń (tensometry), położenia (akcelerometry) pola magnetycznego (2D i 3D magnetometry) Potwierdzono możliwość wiarygodnej obserwacji odwracalnych i nieodwracalnych efektów magnetomechanicznych oraz diagnozowania stanu wytężenia materiału metodą MPM Do opracowania wiarygodnych kryteriów diagnostycznych MPM i oceny ryzyka uszkodzenia konstrukcji niezbędne jest sprzęgnięcie zweryfikowanych algorytmów MPM z modelem numerycznym obiektu.

16 Mocne strony metody MPM : Eksperyment bierny w ITWL - łopatki ND-37 turbiny parowej i elementy silnika SO-3 Test sigma Test sigma Witos M., High sensitive methods for health monitoring of compressor blades and fatigue detection. The Scientific World Journal, Vol (2013), Article ID , 31 p.,

17 Mocne strony metody MPM : Eksperyment bierny w AGH - diagnozowanie słupów linii WN 2010: wzmocnienie konstrukcji Iwaniec M. et al., Diagnosis of Supporting Structures of HV Lines Using Magneto-mechanical Effects. Solid State Phenomena, Vol. 208, 2013, 70

18 Mocne/słabe strony metody MPM Potwierdzono obecność symptomów MPM dla: 1) Klasycznego zagadnienia metody MPM (wg PN-ISO 24497) H E 50 A/m (t) Ferromagnetyk M(t, t/t r ) 2) Obiektów narażonych na wpływ pola elektromagnetycznego 50 Hz H E 50 A/m (t) Ferromagnetyk M(t, t/t r ) Jak ilościowo identyfikować: - poziom destrukcji struktury - czas zdatności do eksploatacji? H 50 (t) < 60 A/m B E B 50Hz 3) Obiektów narażonych na wirujące pole elektromagnetyczne silnika/generatora H E 50 A/m (t) Ferromagnetyk M(t, t/t r ) H S (t, a) < 700 A/m

19 Słabe strony metody MPM Błędy merytoryczne w normie PN-ISO 24497:2009 i opisie metody MPM 1. W metodologii badań MPM pominięto fazę zapisu informacji w materiale: temperaturę materiału podczas pracy obiektu μ r (H, T, σ, S ω ) oczekiwane widmo obciążeń mechanicznych, w tym asymetrię cyklu obciążeń B r (H, T, σ, S ω ), wpływ ekranowania zewnętrznego pola magnetycznego przez otaczający materiał (np. kadłub turbiny podczas badania łopatek) Jakie było H DC = S H E podczas pracy badanego elementu? H=H m sin(ωt) Nieznane widmo magnesowania S ω wpływa na zastany stan namagnesowania elementu, obserwowany w metodzie MPM

20 Słabe strony metody MPM Błędy merytoryczne w normie PN-ISO 24497:2009 i opisie metody MPM 2. W kryteriach diagnostycznych pominięto wpływ: odległości sondy od obiektu badań na wartość gradientu pola K z = H z, max H z, min 2L k własności magnetycznych i magnetomechanicznych materiału na symptomy diagnostyczne, m.in. na współczynnik granicznego umocnienia magnetycznego m gr (Dubov, 2004)? σ B 2 m gr = K B 2 = d K T σ gr T 2L k Ok Rekomendacje University of Cantabaria, GKSS i British Steel dla konserwatywnej procedury SINTAP (1998) H max H min

21 Słabe strony aplikacji metody MPM Tor pomiarowy Sondy Typ 1-8M i Typ 2M firmy Energodiagnostyka mierzą tylko dwie ortogonalne składowe wektora B (B x równoległą do kierunku skanowania, B z prostopadłą do płaszczyzny skanowania). B W układzie współrzędnych kartezjańskich wektor indukcji magnetycznej B opisują 3 składowe: B z B yz B xz B = B x, B y, B z = B xy, B yz, B xz gdzie: B x, B y, B z wielkość mierzona B xy, B yz, B xz wielkość obliczona α Moduł B = f(m,h) B xy = B x 2 + B y 2 B y γ B x B xy Kierunek skanowania B = B x 2 + B y 2 + B z 2 W układzie współrzędnych biegunowych B = [B, α, γ] B yz = B y 2 + B z 2 B xz = B x 2 + B z 2 Używane sondy są wystarczające tylko do rejestracji: rozkładu B x (x) i B z (x) w układzie współrzędnych sondy, detekcji anomalii magnetycznych, np. defektów struktury, zmian geometrii, stref koncentracji naprężeń.

22 Słabe strony aplikacji metody MPM Tor pomiarowy Sondy Typ 1-8M i Typ 2M używają enkodera inkrementacyjnego, który nie rozróżnia kierunku ruchu sondy, co jest źródłem błędów: rejestrowanej drogi L x (szczególnie dla sondy Typ 2M podpartej na jednym kółku i wrażliwej na pochylenia oraz przechylenia), gradientu danej składowej pola magnetycznego pozorne SKN. Pozorne SKN K i,i+1 = H i+1 H i x

23 Słabe strony aplikacji metody MPM Tor pomiarowy Rozszerzony zakres pomiarowy sond 4000 A/m (zakres początkowy 2000 A/m) jest niewystarczający dla stali martenzytycznych w wynikach pomiarów MPM obserwuje się pojedyncze przypadki pozornych SKN, które są wywołane przez skokową nieciągłość wartości H wynikającą z przekroczenia zakresu pomiarowego. Sygnał odniesienia możliwy jest do wykorzystania tylko w przypadku, gdy odwzorowuje pole magnetyczne nie zaburzone przez inne obiekty ferromagnetyczne Sygnał odniesienia Sygnał pomiarowy Sondy Typ 1-8M i Typ 2M nie udostępniają informacji o położeniu elementów magnetoczułych względem badanego obiektu i zewnętrznego pola magnetycznego, co utrudnia obiektywną ilościową analizę danych MPM. B = f H E, M, h

24 Szanse metody MPM Słabe strony metody MPM i jej aplikacji używanej w energetyce do badań NDT stwierdzono na każdym poziomie piramidy. Decyzja Wiedza Informacja Dane pomiarowe Obiekt badań (black box): 1. nieznany stan techniczny cel badań 2. nieznany stan energetyczny cel badań 3. nieznane dane materiałowe 4. nieznane założenia konstrukcyjne 5. nieznane źródło magnesowania naturalnego Szanse: Synergia danych MPM z innymi metodami NDT inżynierią materiałową i danymi systemów CM System doradczo-ekspercki MPM Zweryfikowane algorytmy analizy danych Wiarygodny tor pomiarowy Zweryfikowana baza danych pomiarowych Zweryfikowane metodyki badawcze Modele numeryczne Baza materiałowa zawierająca własności mechaniczne, elektryczne, magnetyczne i magnetomechaniczne Na podstawie dotychczasowych badań i rozpoznania literaturowego stwierdzono, że: 1. Wszystkie słabe strony metody MPM i jej aplikacji są możliwe do usunięcia w ramach prac badawczo-rozwojowych. 2. Możliwe jest zastosowanie metody MPM do monitorowania konstrukcji (SHM).

25 Szanse metody MPM Pole magnetyczne Ziemi (źródło naturalnego magnesowania) B m r, t B r, t B r B r, t t (y, m, d) r (λ, φ, H) core crust Aperiodic disturbanc e Periodic Stochastic Model magnetyzmu Ziemi IGRF-13 lub WMM 2010 gdzie: B core pole jądra Ziemi (ok. 95% B m ) B crust pole płaszcza i skorupy Ziemi (ok. 4% B m ) B disturbance pole generowane przez prądy elektryczne płynące w górnej części atmosfery i magnetosferze B A (D,I,X,Y,Z,H,F) , Ustroń, IGRF-13 D = o, I = o, H = nt, F = nt X = nt, Y = nt, Z = nt Witos M., The reference signal of geomagnetic field for MMM expert system. Key Engineering Materials, Vol. 18, 2012, p

26 Projekt badawczy PBS1/B4/6/2012 Wykrywanie wczesnych faz uszkodzeń stalowych elementów konstrukcyjnych na podstawie analizy zjawisk magnetomechanicznych w ziemskim polu magnetycznym Konsorcjum: PW (SIMR, Mechatronika, Inż. Mat.) ITWL EC System Termin realizacji: Projekt obejmują badania podstawowe i badania przemysłowe. W ramach projektu realizowanych jest 10 zadań badawczych. Jaka jest relacja pomiędzy indukcją magnetyczną B zmierzoną w pobliżu obiektu, a parametrami mającymi wpływ na trwałość eksploatacyjną?

27 Projekt PBS1/B4/6/2012 Projekt uwzględnia wymogi metodologii badawczej z załącznika do rozporządzenia MNiSW z dnia 4 stycznia 2011 r. (Dz.U Nr 18, poz. 91). Założony poziom opanowania technologii po zakończeniu projektu Do realizacji w odrębnym projekcie

28 Zadania badawcze projektu PBS1 Zadania 1-3 Badania podstawowe w warunkach laboratoryjnych ukierunkowane na wyznaczenie właściwości magnetycznych i magnetomechanicznych wybranych materiałów niezbędnych do analizy ilościowej: stan wytężenia i degradacji materiału stan namagnesowania (zagadnienie proste magnetostatyki) stan namagnesowania materiału stan wytężenia i degradacji (zagadnienie odwrotne magnetostatyki) Badania są realizowane na próbkach z zamkniętym i otwartym obwodem magnetycznym. Próbki są wykonane m.in. z: stali do pracy w podwyższonej temperaturze : 10H2M, 15HM, 13HMF, 26H2MF, 10CrMoVNb9-1 staliw do pracy w podwyższonej temperaturze: L17HMF, L21HMF, L20HM; stali odpornych na korozje: 0H13, 2H13; stali kwasoodpornych: 0H18N9. Szczegółowej analizie podlegają również dane materiałowe i publikacje naukowe (artykuły, doktoraty, sprawozdania) odwzorowujące wyniki badań realizowanych w przemyśle i różnych ośrodkach naukowych na świecie w okresie ostatnich 150 lat. Metoda MPM jest rozwinięciem metody S. M. Saxbyego z XIX w. (oceny stanu technicznego obiektów ferromagnetycznych na podstawie detekcji anomalii magnetycznych przy pomocy kompasu), która zapoczątkowała rozwój współczesnej defektoskopii magnetycznej.

29 Zewnętrzne dane wejściowe Źródło danych Waga Producenci stali, staliw i żeliw 1.0 Raporty laboratoriów ISO Bazy danych materiałowych 0.8 Raporty z zagranicznych projektów badawczych 0.7 Tabele właściwości fizyko-chemicznych 0.6 Monografie 0.6 Doktoraty Artykuły naukowe i materiały konferencyjne Raporty z krajowych projektów badawczych Artykuły branżowe Informacje użytkowników metody NDT Zweryfikowane dane wejściowe są gromadzone w tworzonej bazie danych materiałowych i bazie reguł diagnostycznych

30 Stale niestopowe Wpływ %C m B s Stal niestopowa: Przenikalność magnetyczna stali m i indukcja nasycenia B s wykazują odwrotny trend względem zawartości %C niż wytrzymałość R m Burrows Ch. W.: Correlation of the magnetic and mechanical properties of steel. Scientific papers of the Bureau of Standards, 1916, No 272

31 Krzywe pierwotnego magnesowania Źródło danych: - światowi i krajowi producenci stali - baza materiałowa - baza materiałowa oprogramowania COMSOL Multiphysics - badania własne Dla stali martenzytycznych wymagany jest zakres pomiarowy magnetometru 12.0 ka/m (sonda MPM na powierzchni, h = 0). Stosowany w badaniach MPM zakres 4 ka/m wymaga odsunięcia sondy od powierzchni badanego elementu. Rozdzielczość przestrzenna pomiaru MPM Punkt nasycenia stali martenzytycznych: H s 10.5 ka/m, B s 1.67 T i s 2 + h 2 gdzie: s rozmiar elementu magnetoczułego h odległość od powierzchni badanego elementu

32 Analiza ilościowa efektu Villariego Hysteresisgraph HB-PL30 Próbka: cylindryczna, prostokątna Stal X30Cr13 Stal 15HM H m = 450 A/m Jackiewicz D. et al.: Stress assesment in construction steel elements utilising magnetoelastic Villari effect. Proc. of the 20th Int. Conference on Applied Physics of Condensed Matter (APCOM2014)

33 Wpływ warstwy wierzchniej Już od σ > 0.2 σ e w warstwie wierzchniej zmienia się gęstość dyslokacji Warstwa wierzchnia (<100 μm) Rdzeń Vilysa J., Kvedarasb V., Dislocation Structure of Near Surface Layers of Deformed Low-carbon Steel. 15 th Int. Metallurgical & Material Conference METAL 2006, , Hradec nad Moravicí

34 Warstwa wierzchnia w stali Fe 3% Si Gęstość dyslokacji zależy od: odległości od powierzchni poziomu odkształcenia Naprężenia graniczne dla ε = 1% = 0.015% S (warstwa wierzchnia) = 0.01% i (rdzeń) Relacje Halla-Petcha i Baileya-Hirscha σ y σ f T + k HP d σ y = σ 0 + τ i σ 0 + αgb ρ d Głębokość warstwy wierzchniej Dla elementu wykonanego bez obróbki powierzchniowej inicjacja pęknięcia jest oczekiwana od powierzchni w SKN (np. na linii węzłowej drgań, defektach struktury) Kramer I.R., Kumar A., Balasubramanian N.: The effects of surface layer on plastic deformation and crack propagation. Martin Marietta Corporation, AMMRC CR 71-2/4, Watertown, Massachusetts, 1972

35 Początkowe naprężenia własne Trwałość resztkowa materiału ζ = 1 ρ d ρ d,max ρ d,0 ρ d,0 gdzie: ρ d,0 gęstość dyslokacji materiału wyżarzonego; ρ d bieżąca gęstość dyslokacji materiału; ρ d,max graniczna gęstość dyslokacji materiału; Na elementach wykonanych z umocnieniem powierzchniowym inicjacja pęknięcia oczekiwana jest na/pod powierzchnią. Dystrybucja naprężeń własnych w warstwie wierzchniej łopatki sprężarki (stal 18H2N4WA) poddanej obróbce wykańczającej: a) szlifowania i polerowania (obróbka podstawowa); b) strumieniowo-ciernej i kulowaniu strumieniowemu (Bucior J. 1999).

36 Zmęczenie LCF/HCF stali ferromagnetycznej Mikroskop TEM - zmiany gęstości i lokalizacji dyslokacji obserwowane w ferrytycznej stali nierdzewnej 430 (specyfikacja AMS 5503 i ASTM A 240) po: a) 0 cyklach b) 1x10 3 cyklach c) 1x10 4 cyklach d) 2x10 4 cyklach e) 4x10 5 cyklach W stalach ferromagnetycznych anomalie magnetyczne odwzorowują f) 5x10 5 cyklach głównie stan warstwy wierzchniej. Do weryfikacji wyników MPM należy używać metod NDT przeznaczonych do badań powierzchniowych. Magnetometr SQUID - rozkład namagnesowania szczątkowego na obszarze 10x20 mm po: a) 0, b) 1x10 3, c) 5x10 3 ; d) 2x10 4 ; e) 1,2x10 5 ; f) 1,45x10 5 ; g) 2,8x10 5 ; h) 9,2x10 4 cyklach. Tae-Kyu Lee, J.W. Morris, Jr., Seungkyun Lee and J. Clarke: Detection of fatigue damage prior to crack initiation with scanning SQUID microscopy. Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, Vol. 25

37 Wpływ temperatury na właściwości magnetyczne Stanowisko: kriostat MLW MK 70 Podczas typowych badań MPM istnieje liniowy wpływ temperatury otoczenia na przenikalność magnetyczną materiału Temperatura otoczenia wpływa na: przenikalność magnetyczną materiału magnetostrykcję materiału

38 Test step cooling Profil testu step cooling Rewersor siły Wpływ zakończenia testu przy różnej temperaturze materiału Stal 13CrMo4-5, test przerwany po wygrzewaniu w 524 o C Kachniarz M. et al., Charakterystyki temperaturowe i magnetosprężyste stali 13CrMo4-5 z uwzględnieniem step coolingu test. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów 2(98)/2014,

39 Pełzanie Stal 10CrMo9-10 Faza I i II: Rozpad bainitu i zmiany wydzieleń węglików Oczekiwane są zmiany własności magnetycznych materiału Faza III: Rozwój uszkodzeń Detekcja wewnętrznych symptomów MPM uwarunkowana jest przez: 0,6 rozdzielczość toru pomiarowego 0,8 i algorytmy analizy sygnału 1,0 t/t r Dobrzański J.: Sposób szacowanie czasu dalszej bezpiecznej pracy materiałów pracujących w warunkach pełzania na przykładzie charakterystyk materiałowych stali 10CrMo9-10 po długotrwałej eksploatacji. XIV Konferencja Naukowo-Techniczna Projektowanie, Innowacje Remontowe i Modernizacje w Energetyce PIRE 2012, Ustroń r.

40 Permeability at 200 Oe (15900 A/m) Permeability at 200 Oe (15900 A/m) Metastabilne stale austenityczne σ [MPa] M s M s σ M d T [K] Carpenter No 10 Carpenter No 10 Cold reduction [%] Ultimate Tensile Strength, ksi (MPa) Increasing cold works

41 Wnioski z zadania 1-3 Metodami magnetycznymi możliwe jest diagnozowanie I i II etapu zmęczenia materiału Dyslokacje (1D defekty sieci krystalicznej) są źródłem naprężeń III rodzaju, III Tabela: Relacja między granicą plastyczności i parametrami mikrostruktury ŻYCIE OBIEKTU Bieżąca granica plastyczności materiału R = P + MK + VS + KF + AH gdzie: P - naprężenia Peierlsa niezbędne do przesunięcia dyslokacji w T = 0 K; MK wpływ roztworu stałego (substytucji atomów tj. Si, Mn, P lub atomów śródmiąszowych tj. C lub N); VS wpływ dyslokacji; kf wpływ granicy ziaren; AH wpływ wtrąceń

42 Projekt PBS1/B4/6/2012 Zadanie 4 Cel: - identyfikacja problemów metody MPM i jej aplikacji - weryfikacja nowych algorytmów - weryfikacja możliwości metody MPM w warunkach przemysłowych. Łopatki ND nowe awaryjny wirnik Dominuje składowa aperiodyczna A Model: 2 dipole (pióro i zamek) S = A + P + I Zmiana wartości składowej aperiodycznej A Obecne składowej periodyczne, P Model: 2 dipole (pióro i zamek) i 4 dipole anomalii magnetycznych

43 Nowe algorytmy analizy Automatyczna identyfikacja i korekta błędów Analiza wyników wg wzorca statystycznego Ł12 Nieciągłość Łopatka 12 szum Analiza ilościowa składowej A i P Brak danych

44 Metodyki badawcze Uwzględnienie klasy obiektu badań i mechanizmów procesu degradacji materiału Klasa obiektu badań MPM Mechanizm procesu zmęczeniowego (degradacji materiału) Obiekty stacjonarne Umocnienie na zimno, zmęczenie niskocyklowe (LCF) i wysokocyklowe (HCF), korozja atmosferyczna, erozja Naprężenia termiczne Pełzanie Kruchość wodorowa, korozja chemiczna i elektrochemiczna (siarkowa, słona woda) Przykładowe obiekty badań MPM Szyny, rurociągi przesyłowe, konstrukcje wsporcze, butle ciśnieniowe Spoiny, kadłuby turbin Rurociągi przegrzanej pary, łopatki dyfuzora turbiny, Elementy instalacji chemicznych, morskie platformy wiertnicze i turbiny wiatrowe Obiekty stacjonarne w polu elektromagnetycznym Obiekty ruchome Obiekty ruchome w polu elektromagnetycznym Obiekty specjalne Umocnienie na zimno, LCF i HCF Umocnienie na zimno, LCF, HCF i zmęczenie gigacyklowe (VHCF), erozja, korozja Pełzanie i zmęczenie termomechaniczne (TMF) Umocnienie na zimno, LCF, HCF i VHCF Promieniowania jonizujące, niska temperatura, LCF udarowe Słupy wysokiego napięcia, stojany i kadłuby generatorów oraz silników dużej mocy Pojazdy i maszyny robocze, wały i osie, koła zębate, łożyska, łopatki wirnikowe sprężarki i części NP turbiny Łopatki wirnikowe części WP i SP turbiny Twornik generatora i silnika dużej mocy Elementy reaktora jądrowego, instalacje kriogeniczne, crash test

45 Mechanizmy odkształcenia plastycznego T/Tm < 0.3 umocnienie na zimno Odkształcenie bez defektów naprężenia przewyższają teoretyczną wytrzymałość na ścinanie. Poślizg dyslokacji odkształcenie zachodzi w wyniku poślizgu poprzecznego dyslokacji. Pełzanie dyslokacji przy wysokich temperaturach zdolność dyslokacji do wspinania jest taka sama jak do poślizgu poprzecznego. Pełzanie Nabarro-Harringa: przemieszczanie się defektów punktowych przez ziarna. Pełzanie Coble a - przemieszczanie się defektów punktowych wzdłuż granic ziaren. Podczas odkształcania na zimno ulegają zmianie: - gęstość dyslokacji, - średnia średnica ziarna. Defekty mikrostruktury i granice ziaren utrudniają ruch domen magnetycznych są źródłem anomalii magnetycznych

46 Projekt PBS1/B4/6/2012 Zadanie 5 Cel: - analiza zbiorcza wyników badań zrealizowanych w zadaniach 1 4; - opracowanie wiarygodnych podstaw teoretycznych metody MPM: a) uwiarygodnienia symptomów MPM i analizy ilościowej b) określenie możliwości metody MPM jako metody NDT c) opracowanie podstaw do monitorowania konstrukcji d) opracowanie podstaw do działań proaktywnych (prognozowania stanu technicznego, sterowania zmęczeniem na poziomie zjawisk odwracalnych, identyfikacja przyczyn). Modele histerezy Model skalarny J-A-S Stal C45 Skalarne Wektorowe Założenie: pętla histerezy zamyka się w każdym cyklu Założenie: pętla histerezy zamyka się po kilku cyklach Craik D.J., Wood M.J.: Magnetization changes induced by stress in a constant applied field. Journal of Applied Physics D: Applied Physics, 3, pp , Jackiewicz D. et al.: Application of Extended Jiles-Atherton Model for Modeling the Influence of Stresses on Magnetic Characteristics of the Construction Steel. Acta Physica Polonica A, Vol. 126 (2014)

47 Analiza ilościowa danych MPM Symptom MPM = f loc μ r, H c, B r, W h, H s, M s, λ, ω, S ω, t lokalne własności magnetyczne f avg μ r, H c, B r, W h, H s, M s, λ, ω, S ω, t średnie własności magnetyczne Symptom MPM f loc %Fe α, %Fe γ, %faz i wtrąceń, d, ρ d, σ r, t f avg %Fe α, %Fe γ, %faz i wtrąceń, d, ρ d, σ r, t lokalne parametry struktury średnie parametry struktury Symptom MPM f loc R p0.2, R p1.0, R m, A 5, KV, HV, σ y, σ u, t f avg R p0.2, R p1.0, R m, A 5, KV, HV, σ y, σ u, t lokalne własności mechaniczne średnie własności mechaniczne Wielowymiarowa regresja liniowa y = a 0 + a 1 x 1 + a 2 x a i x i i = 1, 2,, n Współczynnik korelacji n-wymiarowej Regresja 1-D Regresja 2-D y y = ax+b a = tan(α) α x y α 1 α 2 x 1 x 2 CC = 1 n i=1 n i=1 y = a 0 +a 1 x 1 +a 2 x 2 a 1 = tan(α 1 ) a 2 = tan((α 2 ) y i y 2 i y i y 2 m gdzie: y i parametr wyznaczony metodą niszczącą, y m średnia arytmetyczna zmierzonych własności y i CC = 1 wszystkie punkty leżą na krzywej kalibracyjnej, CC = 0 brak liniowej zależności między wartościami zmierzonymi i obliczonymi

48 Modelowanie oczekiwanego rozkładu pola COMSOL Multiphysics W powietrze K kątownik z Fe H=[0, 0, 50] A/m Linia zerowa H p = 0 składowych rozproszonego pola magnetycznego jest wypadkową: tensora rozmagnesowania (kształtu), przestrzennego położenia obiektu względem zewnętrznego pola magnetycznego, rozkładu naprężeń.

49 Projekt PBS1/B4/6/2012 Zadanie 6 Cel: - wyznaczenie wiarygodnych kryteriów diagnostycznych MPM do wykrywania wczesnych faz uszkodzeń struktury z uwzględnieniem współczesnych możliwości magnetowizji przemysłowej - skorelowanie symptomów diagnostycznych aktywnych i pasywnych metod magnetycznych badań nieniszczących i monitorowania konstrukcji (NDT i SHM). Decyzja Wiedza Informacja Dane pomiarowe Obiekt badań (black box): 1. nieznany stan techniczny cel badań 2. nieznany stan energetyczny cel badań 3. nieznane dane materiałowe 4. nieznane założenia konstrukcyjne Zadanie będzie realizowane w 2015 r.

50 Detekcja niejednorodności magnetycznej materiału Kamera magnetyczna - gęsta macierz magnetometrów Firma MagCam Chip 128x128 2D czujników Halla Obszar obserwacji: 13x13 mm Rozdzielczość: 100 μm Zakres pomiarowy: do 796 ka/m Firma Matesy C-MOS MO (Efekt Faradaya) Obszar obserwacji: do 50x60 mm Rozdzielczość: od 10 μm Zakres pomiarowy: ka/m 8x8 mm Pomiar Wartość oczekiwana = Anomalia magnetyczna Jakość magnetogramu zależy od: rozdzielczości przestrzennej pomiaru (kryterium Nyquista) rozdzielczości dyskretyzacji pola magnetycznego oprogramowania. 7PR: projekt IMAGIC kamera 32x32 magnetometrów GMR do badań NDT metodą ET

51 Projekt PBS1/B4/6/2012 Zadanie 7 Cel: rozpoznanie potrzeb metrologicznych do magnetowizji przemysłowej i opracowanie toru pomiarowego do badan przemysłowych NDT i SHM, w tym zintegrowanych czujników zawierających trójosiowy magnetometr i trójosiowy akcelerometr (platform 6DOF) gęstej macierzy czujników rozwiązań do bezprzewodowego monitorowania konstrukcji miniaturowych czujników zintegrowanych z rejestratorem. Platforma 6DOF w technologii MEMS (3x3x1.2 mm, f s = 800 Hz, I 2 C i SPI): 16-bitowy magnetometr 3D 14-bitowy akcelerometr 3D Platforma 6DOF z rejestratorem 2 GB i zasilaniem bateryjnym zapewniającym ciągłą pracę układu przez 4 7 dni Pomiar pola magnetycznego nie stanowi problemu metrologicznego w XXI wieku.

52 Czujniki pola magnetycznego MO Hall Fluxgate AMR/GMR Spin TJ-TMR Typ czujnika: rozwiązanie technologiczne i używane efekty Wielkość mierzona: ΔR, U, f lub poziom nieliniowości transformatora Te same czujniki pola magnetycznego mogą być używane przez różne metody magnetyczne NDT (MPM, ET, PMFT, 3MA, MI, BN) Technology Current (ma) Size (mm) Typical sensitivity (μv/v/a/m) Dynamic range of H (A/m) Resolution H-field (ma/m) Operating temperature ( o C) Hall x < 150 MI AMR x < 150 GMR x < 150 TMR x < 200

53 Czujniki pola magnetycznego Koszt pojedynczego czujnika: Halla (1D) - do 5 Euro/szt. AMR, GMR, MI, GMI do 10 Euro/szt. TMR do 80 Euro/szt. Uwaga: Telefony komórkowe i tablety zawierają magnesy Rejestrator danych: TAK Czujnik MPM: NIE

54 Nowe czujniki MPM (demonstrator technologii) Linijka magnetyczna - 16 magnetometrów trójosiowych MI w technologii MEMS, ΔL = 5 mm, transmisja danych: USB 2.0, możliwość łączenia w warstwy (macierz) Macierz gradiometrów (3D AMR), ΔL = 3x3 mm z USB,2.0, I 2 C lub SPI y-axis x-axis z-axis 1 16 Platforma 6D (3D magnetometr i 3D akcelerometr) firmy Honeywell z USB 2.0 Magnetometr ΔB(h) h -3 Gradiometr ΔB(h) h -1 Aplikacje dla SHM (koszt jednostkowy < 150 Euro) SensorTag firmy TI (platforma 12D: - 3D magnetometr, - 3D akcelerometr - 3D żyroskop - wilgotność i temperatura otoczenia - ciśnienie otoczenia - temperatura obiektu (IR) z LE 4.0 Bluetooth i baterią Wireless Sensor Application Board firmy RTX (3D magnetometr, 3D akcelerometr 16 kanałowy przetwornik A/C) z Wi-Fi i baterią Nowe czujniki i metody transmisji danych wymagają nowego oprogramowania i urządzeń rejestrujących.

55 Urządzenia rejestrujące Istniejące urządzenia do badań MPM firm: Energodiagnostyka, Eddy Sun i MetroLab mogą obsłużyć nowe sondy, ale wymagają współpracy z ich producentami i dwustronnego transferu wiedzy. Polski demonstrator technologii (moduły Microchip) Płyta ewaluacyjna procesor: 32-bitowy Pamięć: zewnętrzna 32GB SDHC Peryferia: RS232, I2C, SPI, USB 2.0, CAN 4.3 ekran dotykowy WQVGA sygnał wejściowy: I 2 C procesor: PIC32MX795F512 szybkość: 105 DMIPS pamięć: 512 kb FLASH i 128 kb RAM kolory: 24-bity

56 FreeScale procesor ARM Cortex M0+ Przetworniki A/C: 24-bit: 2 4 kanałów 94 db SNR 16-bit: 12 kanałów Wzmocnienie: 1-32x Analogowy nt magnetometr Transmisja danych: 4 x UART 2 x SPI 2 x I 2 C Temperatura pracy: -40 do +80 o C Tablet jako przyrząd pomiarowy

57 Projekt PBS1/B4/6/2012 Zadanie 8 w trakcie realizacji Oprogramowanie doradczo-eksperckie EXPERT MPM Oprogramowanie będzie zawierało: jądro systemu, 6 relacyjnych baz danych - bazę danych opisowych, - bazę materiałową, - bazę danych pomiarowych, - bazę procedur obsługi urządzeń zewnętrznych, - bazę reguł diagnostycznych, - bazę modeli kodowany, automatyczny dziennik pracy, monitorujący działania użytkownika oprogramowania. Oprogramowanie EXPERT MPM będzie realizowało m.in.: a) analizę doradczo-ekspercką danych pomiarowych MPM; b) automatyczną oceną jakości badań MPM; c) współpracę z istniejącą aplikacją firmy Energodiagnostyka i danymi pomiarowymi w formacie *.mms; d) obsługę nowych typów urządzeń rejestrujących i czujników; e) pobieranie danych pomocniczych z zewnętrznych ogólnodostępnych serwerów.

58 Proces badań MPM Analiza wyników Diagnoza MPM Użytkownik Odpowiedzialność za negatywne skutki Zobrazowanie wyników Korekta błędów Pomiar Dobór aparatury Metodyka badawcza Magnetogram musi być skojarzony z geometrią badanego obiektu! Co jest źródłem anomalii? Decyzja Wiedza Informacja Dane pomiarowe Obiekt badań (black box): 1. nieznany stan techniczny cel badań 2. nieznany stan energetyczny cel badań 3. nieznane dane materiałowe 4. nieznane założenia konstrukcyjne 5. nieznane źródło magnesowania naturalnego Magnetogram odwzorowuje tylko rozkład pola magnetycznego Klasa zagadnienia Obiekt badań Zlecenie badania Magnetometr na jezdni

59 Projekt badawczy PBS1/B4/6/2012 Ekspercki klasyfikator stanu Magnetogram analiza numeryczna danych pomiarowych jest prosta, ale zdefiniowanie poprawnych kryteriów diagnostycznych wymaga współpracy z specjalistami! Zadanie 9 Cel: opracowanie projektu normy na badanie stanu technicznego materiału i rozkładu naprężeń z wykorzystaniem metody MPM; usunięcie błędów normy PN ISO oraz rozszerzenie unormowania metody MPM na SHM. Projekt normy zostanie złożony do Wojskowego Centrum Normalizacji, Jakości i Kodyfikacji. Zadanie 10 Cel: opracowanie technologii badan MPM (dla wybranych obiektów/elementów) oraz technicznego studium wykonalności prac rozwojowych. Zadania 9 i 10 będą realizowane w 2015 r.

60 WNIOSKI 1. Metoda MPM i obecna jej aplikacja (firmy Energodiagnostyka) stosowana w polskiej energetyce ma słabe strony, które ograniczają rzeczywiste możliwości pasywnego magnetycznego obserwatora stanu i stwarzają niepotrzebne ryzyko postawienia błędnej diagnozy. 2. Dane MPM, zarejestrowane przy pomocy dwuosiowych magnetometrów (sond Typ 1-8M i Typ 2M firmy Energodiagnostyka) i używane algorytmy (zamieszczone w normie PN-ISO 24497) nie zapewniają wiarygodnej prognozy stanu technicznego badanych elementów. 3. Istnieją przesłanki techniczne i teoretyczne do usunięcia słabych stron metody MPM i rozszerzenia jej funkcjonalności na potrzeby NDT i SHM. Wyniki prac zostały uzyskane w ramach projektów badawczych finansowanych przez: Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, przy współpracy z Politechniką Śląską, Akademią Górniczo-Hutniczą i firmami TurboCare Sp. z o.o, Tauron Wytwarzanie S.A. i Energodiagnostyka Sp. z o.o.