Nowy kierunek w diagnostyce technicznej metoda Magnetycznej Pamięci Metalu 1. Metoda Magnetycznej Pamięci Metalu pasywna metoda kontroli nieniszczącej, oparta na rejestracji i analizie rozkładu własnych magnetycznych pól rozproszonych (WMPR), powstających w wyrobach i urządzeniach w strefach koncentracji naprężeń (SKN). Przy czym WMPR przedstawiają nieodwracalną zmianę namagnesowania odzwierciedlające kierunek działania głównych naprężeń od obciążeń roboczych, a także strukturalną i technologiczną dziedziczność metalu wyrobu oraz spoiny po ich wykonaniu a następnie schłodzeniu w magnetycznym polu Ziemi. W trakcie kontroli MPM wykorzystywane jest naturalne namagnesowanie, które pojawia się w postaci magnetycznej pamięci metalu podczas faktycznych odkształceń czego następstwem jest zachodzenie zmian strukturalnych w metalu wyrobów i urządzeń. 2. Podstawy fizyczne MPM - magnetosprężyste i magnetomechaniczne zjawiska, - zjawisko tworzenia się i umiejscowienia granic domen magnetycznych na ściankach dyslokacji w strefach koncentracji naprężeń (SKN), - zjawisko rozproszenia pola magnetycznego na skutek występowania strukturalnych i mechanicznych niejednorodności w warunkach naturalnego namagnesowania się metalu spowodowanego obciążeniami. 3. Co określamy metodą MPM? - Strefy Koncentracji Naprężeń podstawowe źródła rozwoju uszkodzeń - Mikro i makro wady na powierzchni i w głębszych warstwach metalu 4. Zalety metody MPM: - nie wymagane jest żadne przygotowanie powierzchni obiektu kontroli - nie wymagane jest specjalne sztuczne namagnesowanie, ponieważ MPM naturalne namagnesowanie, uformowane podczas wykonywania lub eksploatacji wyrobu, - MPM można wykorzystywać do kontroli obiektu podczas produkcji jak również w czasie jego remontu, - MPM jest jedyną metodą kontroli nieniszczącej, pozwalającą w trybie szybkiej kontroli określać z dokładnością do 1 mm stref koncentracji naprężeń (SKN), 1
5. Korzyści z diagnostyki MPM: - ujawnienie stref koncentracji naprężeń jako głównych źródeł uszkodzeń - wczesna diagnostyka uszkodzenia oraz oszacowanie stanu jakościowego elementu - wykrywanie wad w połączeniach spawanych i materiale rodzimym elementu - redukcja kosztów materialnych przy użyciu MPM w kombinacji z konwencjonalnymi metodami NDT 6. Obszar wykorzystywania metody MPM: - kontrola jakości metalu i spoin wyrobów podczas ich produkcji w przedsiębiorstwach - rurociągi, zbiorniki, oprzyrządowanie, różne konstrukcje i wyroby (z ferromagnetycznego lub paramagnetycznego materiału) we wszystkich gałęziach przemysłu podczas produkcji, remontów i eksploatacji, - mechanizmy załadowcze, wirujące, tłoczące, instalacje poddane procesom pełzania materiału lub chorobie wodorowej i wiele innych, - badanie mechanicznych własności metalu w warunkach laboratoryjnych. 2
Kontrola zbiorników i naczyń ciśnieniowych z wykorzystaniem metody MPM Przy pomocy tradycyjnych metod kontroli nieniszczącej nie można rozwiązać problemów nagłych zmęczeniowych usterek naczyń ciśnieniowych, ponieważ metody te nastawione są na wyszukiwanie już rozwiniętych uszkodzeń. Wiadomo, że głównym źródłem rozwoju uszkodzeń naczyń są obszary koncentracji naprężeń (KN) spowodowane roboczymi obciążeniami. Obszary KN powstają z reguły w połączeniach spawanych, w pobliżu podpór, w miejscach mocowania wlotowych i wylotowych króćców, a także przy utracie wytrzymałości cienkościennej powłoki. Do wczesnego ujawnienia obszarów KN niezbędna jest metoda diagnostyki mająca powiązanie z naprężeniami mechanicznymi. Równocześnie analiza możliwości znanych metod kontroli i pomiarów naprężeń i odkształceń w metalu podstawowym i połączeniach spawanych naczyń pozwala określić ich zasadnicze wady: lokalność kontroli, nieprzydatność przy kontroli dużych naczyń; niemożność stosowania metod w obszarze odkształceń plastycznych; nie uwzględniana jest zmiana struktury metalu; kontrola przeprowadzana jest tylko na powierzchni wyrobu, nie można ocenić głębiej położonych warstw metalu; wymagane jest stworzenie skalowanych wykresów na podstawie wstępnie wykonanych próbek; wymagane jest przygotowanie kontrolowanej powierzchni i obiektów kontroli (oczyszczenie, namagnesowanie, przyklejanie czujników i inne); złożony sposób określenia położenia czujników kontrolnych względem kierunku działania głównych naprężeń determinujących niezawodność zbiorników i naczyń ciśnieniowych. Efektywną metodą oceny stanu naczyń, która w ostatnich czasach znalazła zastosowanie w praktyce jest metoda emisji akustycznej (EA). Pozwala ona na wykrycie rozwijających się wad w objętości i na powierzchni metalu oraz obejmuje duże odcinki kontroli. Nie mniej metoda EA wymaga dużych prac przygotowawczych i jest czuła na zakłócenia wywołane szumem tła. Aparatura kontrolna jest droga i niewystarczająco pewna metrologicznie. Największą wadą metody EA jest to, że nie pozwala oceniać stanu naprężeń i odkształceń naczynia. Taka ocena jest nieodzowna do opracowania przedsięwzięć zapewniających niezawodność naczynia. Procesami poprzedzającymi eksploatacyjne uszkodzenia naczynia są zmiany właściwości metalu (korozja, zmęczenie) w obszarach koncentracji naprężeń i odkształceń. Odpowiednio zachodzą zmiany stanu namagnesowania metalu, odzwierciedlając faktyczny stan naczynia. 3
Metoda magnetycznej pamięci metalu, oparta na pomiarze pola magnetyzmu szczątkowego na powierzchni kontrolowanego naczynia, pozwala ocenić jego stan naprężeń i odkształceń z uwzględnieniem zmian strukturalnych. Przy kontroli wykorzystuje się efekt magnetycznej pamięci metalu zawartej w obszarach działania maksymalnych obciążeń roboczych. Podstawowymi zaletami nowej nieniszczącej metody kontroli w porównaniu ze znanymi metodami są: nie trzeba stosować specjalnych urządzeń magnesujących, jako że wykorzystuje się namagnesowanie metalu naczynia pod wpływem działania obciążeń roboczych w magnetycznym polu Ziemi; wcześniej nieznane miejsca koncentracji naprężeń określane są w procesie kontroli; nie jest wymagane oczyszczanie, ani jakiekolwiek inne przygotowywanie kontrolowanej powierzchni; do kontroli przedstawioną metodą stosuje się przyrządy o małych gabarytach, posiadające samodzielne zasilanie i urządzenia rejestrujące. 4
Diagnostyka rurociągów na bazie wykorzystania metody MPM Wiadomo, że podstawowym źródłem uszkodzeń rurociągów o różnorodnym przeznaczeniu technologicznym są obszary koncentracji naprężeń warunkowane działaniem naprężeń roboczych. Stąd wynika, że kryterium niezawodności rur jest ich stan naprężeń i odkształceń. Do ujawnienia, we właściwym czasie, odcinków rur podatnych na uszkodzenia nieodzowne są metody diagnostyki mające związek z naprężeniami mechanicznymi. Problemem pomiaru naprężeń mechanicznych w pracujących rurociągach w celu określenia ich stanu zajmują się obecnie wszystkie wiodące diagnostyczne centra w świecie. Jednakże dotychczas nikt nie przedstawił efektywnych metod kontroli przydatnych w praktyce. Spośród istniejących sposobów pomiaru naprężeń i odkształceń (tensometryczne, efekt Barkhausena, rentgenowski, ultradźwiękowy) najbardziej efektywne są metody magnetyczne oparte na wykorzystaniu zjawiska magnetostrykcji. Jednak analiza tych metod pokazuje dwa konieczne warunki ich zastosowania. Po pierwsze wykorzystuje się w nich urządzenia wzbudzające (duży koszt!!!), po drugie można je stosować pod warunkiem, że wcześniej w kontrolowanych rurociągach znane są miejsca koncentracji naprężeń i odkształceń. Nie jest możliwe wcześniejsze poznanie miejsc koncentracji naprężeń ponieważ na ich powstanie ma wpływ wiele różnorodnych konstrukcyjnych i eksploatacyjnych czynników. Znane metody magnetyczne (na przykład wykorzystujące przyrządy oparte na efekcie magnetosprężystym) nie pozwalają na prowadzenie ciągłej kontroli stanu naprężeń i deformacji na całej długości rurociągu i potrzebują skonstruowania skalowanych wykresów. Można je stosować do oceny stanu naprężeń tylko w zakresie odkształceń sprężystych. W związku z wykazanym magnesowaniem rur w procesie ich eksploatacji, autorzy zaproponowali by wykorzystać to zjawisko do określenia koncentracji naprężeń w rurociągach o różnym technologicznym przeznaczeniu. Na podstawie prac, na które składały się analityczne, laboratoryjne i przemysłowe badania zjawiska magnesowania rur w warunkach występowania obciążeń roboczych w magnetycznym polu Ziemi, opracowano nową magnetyczną metodę oceny ich stanu naprężeń i odkształceń. Sposób oparty jest na wykorzystaniu efektów magnetosprężystego i magnetomechanicznego. Metody kontroli połączeń spawanych, kolan i prostych odcinków rurociągów są zasadniczo nowym podejściem w diagnostyce. Wykorzystywana jest w nich magnetyczna pamięć metalu obszarów koncentracji naprężeń i odkształceń, warunkowanych obciążeniami roboczymi. 5
Podstawowymi zaletami nowej magnetycznej metody diagnostyki w porównaniu ze znanymi światowymi odpowiednikami są: nie trzeba stosować specjalnych urządzeń magnesujących, jako że wykorzystuje się zjawisko magnesowania rur w czasie ich pracy; wcześniej nieznane miejsca koncentracji naprężeń określane są w procesie kontroli; nie jest wymagane oczyszczanie, ani jakiekolwiek inne przygotowywanie kontrolowanej powierzchni; do kontroli przedstawioną metodą stosuje się przyrządy o małych gabarytach, posiadające samodzielne zasilanie i urządzenia rejestrujące; równocześnie z kontrolą stanu naprężeń i deformacji przewodu rurowego jest możliwość dokonania oceny stanu układu podporowego i zawieszeń. Stosowanie nowego sposobu diagnostyki jest najbardziej efektywne do zapobiegania niespodziewanym zmęczeniowym lub korozyjno-zmęczeniowym uszkodzeniom rurociągów. Na podstawie konkretnych kryteriów opisanych w specjalnych procedurach, istnieje możliwość określenia wielkości i kierunku rozwoju przyszłego pęknięcia, poczynając od poziomu struktury metalu. Proponowany sposób diagnostyki może być wykorzystany do rurociągów o różnych rozmiarach ze stali ferromagnetycznych a w niektórych przypadkach ze stali austenitycznych. 6
Określenie rzeczywistego resursu urządzenia na podstawie MPM Najbardziej rozpowszechnionymi metodami oceny resursu urządzenia są obliczenia sprawdzające na wytrzymałość z uwzględnieniem następujących głównych czynników: strukturalne zmiany metalu w momencie oceny resursu; warunki eksploatacji (korozja, erozja, prędkość pełzania, faktyczne parametry środowiska); właściwości konstrukcyjne; statystyka uszkodzeń. Wiadomo, że metody te mają charakter przybliżony i dają znaczny rozrzut oceny czasu pracy zarówno poszczególnych węzłów, jak i całego urządzenia. Na przykład ustalono, że w obrębie jednego gatunku stali 12H1MF parametr żarowytrzymałości (wytrzymałości obliczana w czasie) ma rozrzut ± 20%, co powoduje rozrzut czasu eksploatacji od 1,5 do 3,5 x 10 5 godzin. Z powodu braku dokładnej diagnostyki reprezentatywnych prób metalu tylko ze względu na strukturę można pomylić się przy ocenie resursu więcej niż dwukrotnie w kierunku zmniejszenia lub zwiększenia czasu pracy urządzenia. W oprzyrządowaniu turbin z powodu braku metod wczesnej diagnostyki zmęczeniowe uszkodzenia łopatek, wieńców, tarcz i wałów przy niesprzyjającym układzie czynników konstrukcyjnych i eksploatacyjnych są nieuchronne. W ten sposób na pierwszy plan przy ocenie realnego resursu urządzenia wychodzą metody diagnostyki pozwalające ujawnić na urządzeniu obszary maksymalnej koncentracji naprężeń (KN), w których procesy korozji, pełzania i zmęczeniowe rozwijają się najbardziej intensywnie. Istniejące metody kontroli nieniszczącej, które są szeroko stosowane w energetyce i innych gałęziach, nie spełniają tego zadania. Nastawione są one na poszukiwanie już rozwiniętych wad, nie pozwalają na realizację wczesnej diagnostyki uszkodzeń zmęczeniowych. W ostatnim czasie opracowano w Rosji i z powodzeniem wdrożono w praktyce z założenia nowy sposób diagnostyki urządzeń oparty na wykorzystaniu magnetycznej pamięci metalu (MPM). Podstawowymi zaletami nowej nieniszczącej metody kontroli w porównaniu ze znanymi metodami są: nie trzeba stosować specjalnych urządzeń magnesujących, jako że wykorzystuje się namagnesowanie węzłów urządzeń i konstrukcji w czasie ich pracy; wcześniej nieznane miejsca koncentracji naprężeń określane są w procesie kontroli; nie jest wymagane oczyszczanie, ani jakiekolwiek inne przygotowywanie kontrolowanej powierzchni; do kontroli przedstawioną metodą stosuje się przyrządy o małych gabarytach, posiadające samodzielne zasilanie i urządzenia rejestrujące. 7
Wykorzystanie nowego sposobu diagnostyki jest najbardziej efektywne przy ocenie resursu węzłów urządzenia. Przedstawiony sposób diagnostyki, oparty na wykorzystaniu magnetycznej pamięci metalu, pozwala na kompleksową ocenę stanu węzła z uwzględnieniem jakości metalu, faktycznych warunków pracy i konstrukcyjnych odmienności węzła. Na podstawie charakteru rozkładu pola magnetyzmu szczątkowego możliwe jest określenie najbardziej obciążonego odcinka lub węzłów podatnych na uszkodzenia. Zastosowanie proponowanej metody diagnostyki w połączeniu z obliczeniami sprawdzającymi na wytrzymałość poszczególnych najbardziej obciążonych węzłów możliwym staje się rozwiązanie zadania określenia realnego resursu. Nowa metoda diagnostyki może być wykorzystywana we wszystkich gałęziach przemysłu, gdzie zachodzi konieczność określenia resursu urządzenia i konstrukcji. 8
Kontrola szczątkowych naprężeń i odkształceń połączeń spawanych metodą MPM Wiadomo, że kruche zmęczeniowe uszkodzenia połączeń spawanych rurociągów o różnym technologicznym przeznaczeniu (para, mazut, gaz) i odpowiedzialnych konstrukcji zachodzą niespodziewanie i prowadzą do poważnych awarii z ciężkimi następstwami. Istniejące, tradycyjne metody kontroli nieniszczącej (ultradźwiękowa, magnetyczna, defektoskopia barwna i inne) nastawione są na wyszukiwanie już rozwiniętych defektów, a poza tym wymagają oczyszczania kontrolowanej powierzchni. Nie pozwalają one na wczesną diagnostykę połączeń spawanych w stadium przed zniszczeniem i nie gwarantuj niezawodności oprzyrządowania i bezpieczeństwa obsługującego personelu. W warunkach, gdy na niezawodność połączeń spawanych mają wpływ poziom i równomierność naprężeń, zniekształcenie geometrii, zmiany strukturalne w spoinie, odkształcenia plastyczne i inne czynniki nieodzowna jest metoda, która by całościowo oceniała stan połączenia. Obecnie opracowano w Rosji i skutecznie jest wdrażana również w Polskiej energetyce i innych gałęziach przemysłu zasadniczo nowa metoda diagnostyki połączeń spawanych, oparta na wykorzystaniu magnetycznej pamięci metalu. Naprężenia i odkształcenia, powstające w procesie spawania w okresach nagrzania i chłodzenia jednocześnie ze zmianami strukturalnymi spowodowanymi występowaniem efektu magnetomechanicznego formują magnetyczną (domenową) teksturę metalu. Na powstających w spoinie wadach o określonych rozmiarach tworzą się węzły zamocowania domen, które tworzą sumaryczne rozmagnesowujące pole wypływające z miejsca wady, ujawniające się na powierzchni spoiny w postaci magnetycznych pól rozproszenia (H p ). W ten sposób, przed nami pojawia się unikalna możliwość oceny faktycznego stanu połączenia spawanego, poprzez odczyt magnetycznych pól rozproszenia uformowanych w procesie spawania. Przy czym ocena ta obrazuje w każdej spoinie jednocześnie rozkład naprężeń szczątkowych i odkształceń oraz wadliwości spawania. Metoda kontroli jest realizowana bez oczyszczania metalu i bez dodatkowego namagnesowywania (wykorzystuje się magnetyzm pola Ziemi) i pozwala: określić na połączeniu spawanym lub w jego pobliżu obszary koncentracji naprężeń (KN) - główne źródła rozwoju uszkodzeń; kontrolować kątowe i pachwinowe połączenia spawane określać konieczność i sposób temperaturowej obróbki połączeń spawanych 9
przeprowadzać ekspresową analizę nowych i starych połączeń spawanych na podstawie poziomu i rozkładu naprężeń szczątkowych; spełniać funkcje ferrytometrii w spoinach i wyrobach ze stali austenitycznych i ferryto-austenitycznych. Rozpatrywana metoda diagnostyki może być wykorzystana jako metoda ekspresowa do określenia efektywności obróbki termicznej spoiny. Posiadane jest doświadczenie stosowania nowej metody diagnostyki do ekspresowej kontroli naprężeń i odkształceń spawalniczych w przeciążonych konstrukcjach. W przeciągu godziny przy pomocy specjalnych przyrządów z urządzeniem rejestrującym można skontrolować do 300 m spoiny. Tą metodę kontroli można wykorzystać do analizy nośności przeciążonych konstrukcji spawanych. 10
Diagnostyka przekładni zębatych z zastosowaniem metody MPM W trakcie remontów eksploatowanych przekładni zębatych prowadzone są różne badania diagnostyczne uzębienia. Badania te ukierunkowane są na znajdowanie już rozwiniętych uszkodzeń, co jest niewystarczające do zapewnienia niezawodności i wykluczenia możliwości wystąpienia awarii w trakcie dalszej eksploatacji. Okresy między-remontowe eksploatowanych maszyn z przekładniami zębatymi są na tyle długie, że wady o rozmiarach poniżej progu czułości tradycyjnych metod defektoskopowych, rozwijają się i mogą doprowadzić do uszkodzenia przekładni. Problemem podstawowym w tym przypadku, jest uzupełnienie spektrum badań diagnostycznych o metodę, umożliwiającą znajdowanie wad we wczesnym stadium ich rozwoju. Prowadzone badania na obiektach przemysłowych pozwalają stwierdzić, iż metodą taką jest metoda magnetycznej pamięci metalu. Przeprowadzono szereg badań na obiektach przemysłowych, których wyniki potwierdzone zostały późniejszymi awariami wskazanych elementów uzębienia. W kole zębatym każde wejście zęba w przypór powoduje w nim cykliczną zmianę naprężeń. Każdy cykl zmiany naprężeń w elemencie ferromagnetycznym powoduje wzrost pozostałości magnetycznej, czyli zmianę własnego pola magnetycznego elementu, na skutek działania efektu magnetosprężystego. Dodatkowo, przenoszące obciążenie powierzchnie zęba ulegają podczas eksploatacji zgniotowi, czyli występują na nich lokalne strefy odkształceń plastycznych. Założono, że własne pole magnetyczne zęba jest wypadkową działania wymienionych powyżej, związanych ze sobą czynników. 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 32.0 30.0 28.0 26.0 24.0 22.0 20.0 18.0 16.0 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 27 26 26 25 25 24 24 23 23 22 22 21 21 20 20 19 19 18 18 17 17 16 16 15 15 14 14 13 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 2.40 2.20 2.00 1.80 1.60 1.40 1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 11
Diagnostyka szyn kolejowych oparta na metodzie MPM Metody magnetyczne od dawna zajmują poczesne miejsce wśród nieniszczących metod stosowanych w szeroko pojętej diagnostyce szyn i taboru kolejowego. Od początku swojego istnienia metody magnetyczne wykorzystywały magnetyczne pole rozproszone lub pole wypływu MFL (ang. Magnetic Flux Leakage). Wymienione metody wymagają jednak sztucznego magnesowania badanego obiektu (szyny) oraz dają informacje tylko o nieciągłościach materiałowych nie rozpatrując stanu naprężeniowo deformacyjnego elementu. Metoda diagnostyczna oparta na magnetycznej pamięci metalu, pozwala na szybką nieniszczącą kontrolę rozkładu naprężeń i odkształceń materiału. W metodzie tej wykorzystuje się naturalne magnesowanie polem ziemskim. Metoda Magnetycznej Pamięci Metalu dostarcza też wcześniejszej informacji o uszkodzeniu zmęczeniowym podzespołu, zapobiegając zawczasu awarii. Od przeszło 5 lat wspólnie z PKP PLK, Politechniką Radomską przeprowadziliśmy szereg badań próbnych wykorzystując metodę Magnetycznej Pamięci Metalu. Dzięki wynikom tych badań i ich dogłębnej analizie można stwierdzić: - doskonałą czułość wykrywanych defektów w obszarze całej wysokości szyny, - powtarzalność wyników, - można wykrywać wady w miejscach szyn niewidocznych przez ultradźwięki oraz Strefy Koncentracji Naprężeń (SKN) bez nieciągłości materiałowych, - możliwość prognozowania rozwoju defektu, 12
Nowa, magnetyczna metoda diagnostyki przeszła szerokie przemysłowe sprawdzenie i wykazała swoją efektywność w ponad 150 zakładach Rosji, Ukrainy, Australii, Polski, Indii, Finlandii, Chin, Jugosławii, Niemiec. W Polsce zastosowano metodę w wielu przedsiębiorstwach m.in.: ALSTOM Power Główny Instytut Górnictwa Polski Koncern Naftowy ORLEN Centrum Badań i Dozoru Górnictwa Podziemnego EC Kraków Grupa EDF Południowy Koncern Energetyczny Polskie Koleje Państwowe Politechnika Śląska w Gliwicach Politechnika Radomska Turbo Care Wrocław i wiele innych. W 1990 r. podczas międzynarodowej konferencji w Polsce praktyczna demonstracja metody została nagrodzona. Podczas 50-tego kongresu międzynarodowego instytutu spawalnictwa w lipcu 1997 r. w San Francisco (USA) metoda magnetycznej pamięci spotkała się z uznaniem i otrzymała rekomendację instytutu do stosowania do oceny stanu naprężeń, odkształceń oprzyrządowania i połączeń spawanych. W sierpniu 2006 roku po 12 latach wspólnych prac z Międzynarodowym Instytutem Spawalnictwa zatwierdzono normę dotyczącą badań metodą Magnetycznej Pamięci Metalu do wydania wg standardów ISO. Wydanie normy planowane jest w czerwcu 2007 roku. 13