Diagnozowanie zmęczenia materiału przy pomocy efektu magnetycznej pamięci metalu

Transkrypt

1 Diagnozowanie zmęczenia materiału przy pomocy efektu magnetycznej pamięci metalu Problem badawczy MPM - pomiar pęknięć, naprężeń i Wstępna weryfikacja MPM jako metody NDT - odkształcenia plastyczne - detekcja problemów LCF - detekcja pęknięć CF - kumulacja zmęczenia odkształceń sprężystych Potencjalne możliwości MPM w systemach SM Mirosław WITOŚ V Międzynarodowe Sympozjum Mechaniki Zniszczenia Materiałów i Konstrukcji Augustów, r.

2 Problem diagnostyczny W obszarze techniki lotniczej istnieje jeszcze wiele elementów wykonanych ze stali i stopów ferromagnetycznych.

3 Obiekt badań Okres międzyremontowy Mod 1F: 3 6 x1 9 cykli 1T: 1 25 x1 9 cykli LCF CF T p < 3 min T p > 3 3 godz. VCF Zjawisko VCF jest potencjalnym ryzykiem dla wirujących elementów Łopatki sprężarki narażone są na zmęczenie typu LCF, CF i VCF

4 Charakterystyka problemu Wymuszenie biały szum Właściwości modalne zjawisk dynamicznych Ingerencja użytkownika Warunki otoczenia Właściwości modalne obiektu Wytężenie materiału Wpływ zmęczenia: - Zmiany fazowe - Umocnienie - Anizotropia - Osłabienie - Pękanie

5 Aktywne sterowanie zmęczeniem materiału 1 G/G ra [m/m] Before CF After CF 2x Osłabienie f/f ra [z] 1.6 3x Brak otwartego pęknięcia Identyfikacja: - fazy umocnienia - fazy osłabienia - otwartego pęknięcia Analiza modalna (NDT, SM) Tip timing (SM, CM) Magnetyczna pamięć metalu (NDT, SM, CM)? Silnik SO-3 Prognoza: 1/8 TBO

6 Początki MPM 25 lat temu w Rosji stwierdzono silne namagnesowanie metalu w miejscach zniszczenia rur kotłowych Naturalne namagnesowanie magnetytu (William Gilbert, 16 De Magnete ) ipoteza: Stan namagnesowania elementu może być symptomem diagnostycznym.

7 Paleomagnetyzm Efekt magnetycznej pamięci NRM Natural Remanent Magnetism NRM = primary NRM + secondary NRM Primary NRM: TRM Thermoremanent Magnetism źródło: chłodzenie z temperatury wyżej niż temperatura Curie, w obecności pola magnetycznego Ziemi CRM Chemical Remanent Magnetism źródło: zmiany chemiczne występujące poniżej temperatury blokowania w obecności pola magnetycznego Ziemi DRM Detrital Remanent Magnetism źródlo: sedymentacja skał, wolne zmiany wektora pola magnetycznego Secondary NRM: VRM Viscous Remanent Magnetism źródlo: długotrwałe oddziaływanie słabego pola magnetycznego Ziemi TVRM Thermoviscous Remanent Magnetism źródlo: powierzchniowe nagrzewanie poniżej temperatury Curie IRM Isothermal Remanent Magnetism źródło: krótkotrwałe oddziaływanie silnego pola magnetycznego Naprężenia własne są odwzorowane w stanie namagnesowania

8 Меtoda MPM Obiekt badań: materiały (fazy) ferromagnetyczne Inicjacja pęknięć: kumulacja dyslokacji na wtrąceniach lub granicach ziaren, która wywołuje lokalne strefy plastyczności Mierzona wielkość: lokalne pole magnetyczne (metoda pasywna) Strefa plastyczności Koncentracja naprężeń p = 385 A/m p = -312 A/m

9 lub Strefa koncentracji naprężeń SKN if d x z zo and dx SKN 1 if d z x xo and dx p-1 p-2 p-3 p ,A/m Lx,mm

10 MPM: jaka czułość i rozdzielczość pomiaru? Liczba cykli Mechanizm niszczenia dekacyklowe plastyczne uszkodzenia występujące przy obciążeniach uwzględnionych przez współczynniki bezpieczeństwa hektocyklowe uszkodzenia określane przez duże mikroplastyczne deformacje w strefie uszkodzenia na poziomie makrostrukturalnym kilocyklowe uszkodzenia widoczne w postaci relatywnie małych makroplastycznych deformacji w strefie uszkodzenia w skali makroskopowej megacyklowe uszkodzenia rozwijające się w postaci mikroplastycznych deformacji w strefie uszkodzenia w skali mikro i makroskopowej gigacyklowe uszkodzenia występujące wskutek znacznej ilości cykli obciążeń i mikroplastycznych deformacji w skali mikroskopowej w pobliżu strefy uszkodzenia zlokalizowanej wewnątrz materiału Teracyklowe uszkodzenia wewnątrz materiału występujące przy bardzo dużej ilości cykli obciążeń z deformacjami występującymi na poziomie makrostruktury MPM: Teoretyczna możliwość detekcji zjawisk LCF, CF i VCF

11 Metoda MPM Idea: korelacja między naprężeniami i lokalną anizotropią materiału, a obserwowanym stanem namagnesowania Podstawy teoretyczne: fizyka ciała stałego (krystalografia, magnetyzm) Domeny magnetyczne Stan namagnesowania badanego elementu, obserwowany podczas kontroli MPM, jest wypadkową: - początkowego namagnesowania o ; - samomagnesowania ferromagnetyka podczas postoju maszyny p ; - oddziaływania efektów magnetomechanicznych d, podczas pracy maszyny o p d płaszczyzny poślizgu

12 Efekty magnetomechaniczne Efekt Joule magnetostrykcja (1842) Efekt E Efekt Wiedemanna Efekt Magnetoobjętościowy EFEKT BEZPOŚREDNI Efekt Einsteina de aasa Zmiana rozmiarów próbki w kierunku przyłożonego pola magnetycznego Wpływ magnetosprężystości na anizotropię magnetokrystaliczną Skręcanie wywołane przez spiralną anizotropię Zmiana objętości pod wpływem magnesowania (najbardziej widoczny w pobliżu temperatury Curie) Obracanie się ferromagnetyka pod wpływem namagnesowania Efekt Villariego (1865) Efek Matteuci Efekt Nagaoka- ondy Efekt Barneta (1914) EFEKT ODWROTNY Zmiana namagnesowania pod wpływem obciążeń Magnetyzm indukuje zmiany w sprężystości Spiralna anizotropia i SEM wprowadzona przez skręcanie Zmiany w stanie namagnesowania przez zmiany objętości Magnesowanie ciała wywołane ruchem obrotowego MPM: Lokalna anomalia może być wywołana przez przyłożenie magnesu

13 Zmiana namagnesowania w słabym polu magnetycznym pod wpływem obciążeń (naprężeń) F(t) F(t) = const N N F(t) = S S Steel Symptom MPM B [T] F(t) = F max sin(t) MPa D.J. Craik and M.J. Wood, Magnetization changes induced by stress in a constant applied field, Journal of Applied Physics D: Applied Physics, 3, pp , 197.

14 e.2 m gr R R m z y x i i i i m med,, ; max max med z y x z y x m max Ocena poziomu zmęczenia materiału (wg prof. A. Dubowa) Umocnienie magnetyczne materiału w otoczeniu SKN Graniczne umocnienie magnetyczne materiału Diagnoza: 1. Prawdopodobne pęknięcie, gdy m max > m gr 2. Możliwa wiarygodna prognoza, gdy m max < m gr i m < m gr

15 L.p. 1 Uzyskane wyniki, ujawnione wady Niedopuszczalnych wad nie stwierdzono (pęknięcia, odkształcenia trwałe itd.) m,5m gr Przewidywany czas pracy bezawaryjnej 6 lat 2 3 Niedopuszczalnych wad nie stwierdzono (pęknięcia, odkształcenia trwałe itd.),5m gr m,75m gr 5 lat Niedopuszczalnych wad nie stwierdzono (pęknięcia, odkształcenia trwałe itd.),75m gr m m gr 3 lata 4 5 Niedopuszczalnych wad nie stwierdzono (pęknięcia, odkształcenia trwałe itd.) m m gr Występują niedopuszczalne wady (pęknięcia, odkształcenia trwałe itd.) 1 rok Zalecenie szczególnej kontroli w miejscach SKN Wymiana lub naprawa

16 MPM - Ocena jakości połączeń spawanych PN-ISO 24497:1,2,3 (styczeń 29) MPM metoda pomocnicza NDT

17 MPM - Diagnostyka turbin Wykrywanie obszarów Stref Koncentracji Naprężeń Lokalne nieciągłości, wtrącenia niemetaliczne i pasma ziaren ferrytu

18 z z z y y y x x x G z y x z y x z y x Co odwzorowuje tensor gradientów magnetycznych? MPM w lotnictwie? Maksymalne wytężenie elementów występuje podczas złożonego ruchu przestrzennego Typ czujnika do kontroli MPM

19 MPM - odkształcenia plastyczne Wygięty wał bez pęknięć z = -386 A/m (ściskanie) MPM odwzorowuje naprężenia wewnętrzne podczas postoju maszyny

20 MPM - testy LCF Koncentracja naprężeń (f = 32-4 z, sonda alla) A/m p = A/m wyższe mody 1F 12 p z [A/m] Sonda тип 2 (ИКН-1М-4) uśredniła położenie dwóch linii do jednej SKN Места Miejsca концентрации koncentracji напряжений naprężeń x [mm] 1 Bardzo dobra korelacja pomiędzy wskazaniami MPM i położeniem linii węzłowych drgań pióra

21 MPM - testy CF Sonda w pionie Łopatka w poziomie z [A/m] Локальная магнитная аномалия dh=+4 mm dh= mm dh=-4 mm Pęknięta łopatka 2-2 dh x dh=-4 mm A/m -4-6 x [mm] z [A/m] Трещина S N (zamek) Локальные магнитные аномалии dh=+4 mm dh= mm dh=-4 mm Трещина E W (zamek) x [mm]

22 MPM - ocena warunków pracy panujących przed zniszczeniem konstrukcji (po 483 i 163 godz. pracy) I обрыв II обрыв z [A/m] Powierzchnia wierzchołkowa wielowypustu 6 x [mm] Część walcowa Kontrola MPM wykazała, że pomimo podobnych efektów zniszczenia warunki pracy wałków były inne (wnioski MPM potwierdzono badaniami fraktograficznymi)

23 MPM kumulacja odkształceń sprężystych Okucie łopaty wirnika nośnego Widmo obciążeń okucia łopaty zależy od: - zakresu pracy silnika - zaciążenia wirnika - warunków lotu 6 [A/m] Nalot ok. 14 godz Lew a strona Praw a strona -6-8 wpływ otworu c [mm]

24 MPM - gdzie jest ryzyko? Wpływ wymuszeń aerodynamicznych Wpływ czujnika systemu SNDŁ-1b/SPŁ-2b Wpływ podatnej podpory 46 wirnika Wirująca łopatka podlega złożonemu magnesowaniu w zmiennym polu magnetycznym: - Ziemi (wpływ obrotu wirnika); - sąsiednich łopatek danej palisady; - łopatek kierujących; - czujnika indukcyjnego

25 MPM - Wpływ statycznego niewyważenia wirnika na obciążenie zębów koła z 1 Air intake Compressor Combustion chamber T u r b i n e Jet pipe Starter/generator Namagnesowanie koła z 1 Gearbox Fuel pomp Evaporator Wpływ magnesowania łopatek podczas postoju silnika Źródło wytężenia: - Rozruchy silnika - Niewspółosiowość

26 Pęknięty wał śmigła Pęknięcie wzdłuż spawu wykryte metodą MPM z [A/m] x [m m] xz avg [A/m] Треснутый вал Pęknięcie pomiędzy 4-7 serią Bал без трещин Трещина x [mm] Wyniki wewnętrznych pomiarów MPM zawierały się w strefie niejednoznaczności przyczyny namagnesowania: - Składowa pionowa pola magnetycznego Ziemi o 4 A/m; - Dopuszczalna namagnesowanie po MT p 24 A/m

27 D B i i MPM a inne metody NDT Prof. G. Glinka (Whaterloo, Canada): 1. Żadna z klasycznych metod NDT nie gwarantuje bezpieczeństwa eksploatacji odpowiedzialnych konstrukcji. 2. Zwiększenie wiarygodności badań NDT jest możliwe, gdy używa się co najmniej dwóch metod bazujących na pomiarze innych właściwości materiału. Emisja akustyczna Ultradźwięki Analiza modalna ij ij i ij D i i E i B i, i C ijkl il il C e q ikl ikl ijkl kl kl kl a e il il ijl ( E ( E ( E Prądy wirowe l l ) ) l ) a q il il ijl ( ( ( - naprężenia i odkształcenia sprężyste; - odkształcenie i pole elektryczne; - natężenie i pole magnetyczne; - tensory sztywności sprężystej, - tensor przenikalności dielektrycznej - tensor przenikalności magnetycznej l l ) ) l ) Ferrytoskop Radiograficzne Magnetyczne: - MPM (pasywna) - MT (aktywna) - Barkhausen (aktywna) - siła koercji (aktywna)

28 Podsumowanie 1. Na podstawie dotychczasowych badań potwierdzono wiarygodność metody MPM w diagnozowaniu zagadnień LCF i LCF+CF. 2. Istnieją przesłanki teoretyczne i techniczne umożliwiające dopracowania algorytmów i oprzyrządowanie MPM do właściwego rozpoznawania zagadnień CF i VCF. Magneto-optyczny efekt Kerra 3. Dla drobnych elementów stwierdzono wyraźny wpływ: - warunków brzegowych (anizotropię kształtu) - położenia kontrolowanego elementu względem pola magnetycznego Ziemi na obserwowane wyniki pomiarów (pominięte przez prof. A. Dubowa). 4. Proces detekcji SKN jest bardziej złożony dla elementów ruchomych, w których występuje sprzężenie fazy wytężenia materiału z chwilowym kierunkiem magnesowania.