Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących Polskie innowacyjne metody nieniszczącej diagnostyki elementów stalowych - podstawy, zastosowanie, korzyści dr hab. Bolesław Augustyniak Prezes Zarządu NNT Sp. z o.o. IK Warszawa 7.02.2017
Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących AGENDA Obszary działania Podstawy proponowanych metod (ABC) Przykłady zastosowań Podsumowanie 2
Obszary działania NNT Diagnostyka stanu elementów stalowych z wykorzystaniem efektów magnetycznych Produkcja aparatury Szkolenia Diagnostyka Doradztwo i ekspertyzy 3
Badania NISZCZĄCE pobranie próbki badania w laboratorium Badania NIENISZCZĄCE na obiekcie -> nieciągłości Innowacyjne magnetyczne BN dużo punktów pomiarowych bardzo niskie koszty badania Uo E T ->właściwości mechaniczne ->mikrostruktura H - naprężenia - degradacja - nieciągłości
Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących Cele badania i wykorzystane zjawiska fizyczne 1. Naprężenie 2. Degradacja 3. Nieciągłości efekt Barkhausena (EB) emisja magneto-akustyczna (EMA) prądy wirowe (PW) magnetyczne pole rozproszone (MPR) impulsy magnetostrykcyjne (IM) 5
Proces magnesowania Fe-Si stal krzemowa, efekt Kerra http://www.wondermagnet.co m/dev/images/dipole1.jpg Magnesowanie = ruch granic domen (GD) i obroty magnetyzacji Histereza B(H) : kotwiczenie i odkotwiczenie GD od defektów struktury > efekt Barkhausena (EB) i emisja magnetoakustyczna (EMA) 6
Struktura magnetyczna stali perlitycznej M. G. Hetherington at all, High-voltage Lorentz electron microscopy studies of domain structures and magnetization process in pearlitic steel ; Phil. Mag. B, 56, (5), (1987) 561-577
Skokowy ruch granicy domenowej (GD) 1 2 3 skok indukcji DB impuls fali elektromagnetycznej skokowy ruch GD efekt Barkhausena
1919 Efekt Barkhausena cewka magnesująca Cewka detekcyjna Próbka ferromagnetyka Skokowy ruch granicy domenowej -- > skokowa zmiana indukcji magnetycznej B - > indukuje się impuls napięcia w cewce detekcyjnej -> szum Barkhausena http://www.ien.it/~durin/bk_intro.html#freq B (T)
ABC podstaw fizycznych Proces magnesowania (5) Emisja magnetoakustyczna EMA Histereza odkształcenia magnetostrykcyjnego kotwiczenie granic typu 90 o przez defekty U EMA 100 d dh dh dt Skokowy ruch granicy typu 90 o generuje impuls akustyczny dźwięku. Sumaryczny efekt emisja magnetoakustyczna (EMA) Detekcja EMA przetwornik piezoelektryczny
Proces magnesowania efekt EB i EMA EB ruch 180 oraz 90 deg DW MAE ruch głównie 90 deg DW
Zasada badania konstrukcji z wykorzystaniem efektu Barkhausena EB oraz emisji magneto-akustycznej EMA A A fale elektromagnetyczne B fale akustyczne 1 czujnik EMA 2 czujnik EB 3 sprzężenie akustyczne 4 elektromagnes jarzmowy
Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących Badanie naprężeń efekt Barkhausena 13
Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących Aparat do pomiaru natężenia EB typ MEB2C 7 5 6 4 1- ferryt, 2 cewka detekcyjna, 3 magnes, 4 cewka magnesująca, 5 cewka kontrolna, 6 sprężyna, 7 - obudowa 1 2 3 14
Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących Aparat do pomiaru natężenia EB typ MEB2D 1- antena ferrytowa 2 cewka detekcyjna 3 magnesy 4 cewka magnesująca 5 sprężyny 6 - obudowa 15
Nowe możliwości Badanie naprężeń sondą EB z wirującym polem magnetycznym 16
Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących Składniki naprężenia w polikrysztale s I makroskopowe, długo zasięgowe s II mikroskopowe o zasięgu wewnątrz ziarna s III submikroskopowe o zasięgu wokół defektów struktury (dyslokacje, wydzielenia)
Wpływ naprężeń na strukturę domenową, magnesowanie i EB Naprężenie wprowadzają anizotropię struktury domenowej Naprężenia ściskające utrudniają magnesowanie Naprężenia rozciągające ułatwiają magnesowanie WNIOSEK: natężenie EB mierzone w danym kierunku zależy od stanu naprężeń: wzrasta dla rozciągania i maleje dla ściskania 18
Wpływ odkształceń jednoosiowych na EB Uc napięcie skuteczne, Un szybkość zliczania impulsów, Rc, Rn całki z natężenia
Funkcje kalibracji pierwotne i odwrotne (normalizowane) X IntUb( ) IntUb( 0)
Int Ub Wyznaczanie stanu naprężenia dla stali izotropowej szukanie ekstremów rozkładu kątowego -> składowe główne naprężenia Składowe Xma i Xmi eps [ 1E-3] 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0,6-0,8-1,0 eps = A1 exp (B1*X) - A2 exp (-B2*X) + C -1,2 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 X Int Ubma Int Ubmi X IntUb IntUb f ( X 1 ma f ( X 2 mi ) ) E s1 2 1 E s 2 1 2 1 2 2 1
Wyznaczanie stanu naprężenia dla stali anizotropowej Interpolowane zależności (X) dla kątów f od 0 0 do 90 0 X IntUb IntUb f ( X ) Rozkłady kątowe EB : 1- średnia z wielu rozkładów na płycie bez spoiny (odniesienie) 2 wartość zmierzona na płycie w danym punkcie, s s 1 2 F F 1 2 x x, y x,, y y,,
Naprężenia w złączu doczołowym x [mm] 140 120 100 80 60 40 20 0-25.0 0-100 -25.0-25.0-25.0 0-50.0-50.0-75.0-75.0 25.0 0-25.0 25.0-75.0-100 50.0 25.0 75.0-125 100-175 200 225 125 250 150-150 275 175 300-75.0-75.0-75.0 s y [MPa] 0 100 200 300 400 y [mm]
Pełna informacja o stanie naprężeńmapa wektorowa składowych głównych 24
Pomiar naprężeń w łopatkach wirnika
Ropociąg s[ MPa ] 100 0-100 300 os ob 330 0 30 L5 60-200 -100 0 270 240 120 90 100 210 180 150
Płyta stalowa po walcowaniu prostującym 27
28
Porównanie EB z innymi metodami pomiaru naprężenia 29
Mamy uznanie dla metody przez PRS 30
Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących metoda NNT pomiaru naprężeń z efektem EB zalety i korzyści: nie wymaga pracochłonnego przygotowania powierzchni - pomiar możliwy jest poprzez powłoki malarskie i lakiernicze, bardzo krótki czas badania (kilka sekund), charakteryzuje się dużą rozdzielczością w MPa, pozwala na tworzenie map naprężeń, umożliwia badanie elementów zakrzywionych. 31
Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących Detekcja degradacji - emisja magneto-akustyczna EMA (ferromagnetyki) - prądy wirowe PW (austenity) 32
EMA -Detekcja degradacji po eksploatacji Ua [ V ] 8 7 6 5 4 3 1 s0 2 s9 3 s4-3 -2-1 0 1 2 3 3 1 2 Ug [ V ] Stal 10H2M, przegrzewacz pary
Int (Ua) [au] 12 11 10 9 8 7 6 5 Całka z obwiedni Zmiana natężenia EMA po deformacji plastycznej i przyśpieszonym pełzaniu Plastic deformation Creep 0 2 4 6 8 10 [%] P91 13HMF S3 def. plast NE, S5 pełz. NE, S1 pełz. 76 th,s4 pełz. 144 th T = 500 o C, s= 180 MPa
Detekcja degradacji w rurociągach pary - EMA
EMA rurociągu pary Chwilowe natężenie EMA w funkcji napięcia generatora prądu (połowa cyklu magnesowania) zarejestrowane we wskazanych obszarach Całki z natężenia EMA wyznaczone we wskazanych obszarach
Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących Detekcja degradacji - emisja magneto-akustyczna EMA (ferromagnetyki) - prądy wirowe PW (austenity) 37
Prądy wirowe U3 U2 Uo = <U4> 38
Sygnał wyjściowy miernika ECTv1
Badanie rozkładu PW na powierzchni wycinków rur przegrzewacza po eksploatacji (stal 321) A B C D E F Rozkład kątowy PW dla stanu dostawy (N) Przyrosty sygnału PW względem stanu próbki N dla 6-ciu próbek eksploatowanych. Wykres w funkcji temperatury eksploatacji (T) oraz przewidywanego resztkowego czasu eksploatacji (t) Przykładowe rozkłady kątowe PW dla próbek po eksploatacji
Badanie przegrzewaczy ze stali austenitycznych (PW) miernikiem ECTv3
Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących Detekcja degradacji metodami NNT zalety i korzyści: nadają się do łatwej aplikacji w środowisku przemysłowym, EMA daje informację z całej objętości badanego materiału, są rozwiązaniem pionierskim w skali światowej. 42
Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących Detekcja nieciągłości - pomiar magnetycznego pola rozproszonego MPR - impulsy magnetostrykcyjne 43
Wyciek pola magnetycznego
Badanie nieciągłości w okolicy spoin rurociągu (MPR)
Badanie nieciągłości w złączu spawanym b Rozkład składowej stycznej Bx nad złączem spawanym magnesowanym w kierunku osi x Rozkład składowej stycznej Bx nad spoiną złączem spawanym magnesowanym w kierunku osi x
Badanie nieciągłości w spoinie złącza spawanego Radiogram obszaru złącza z wadą typu łańcucha pęcherzy Mapa rozkładu składowej Bx (styczna do powierzchni w kierunku prostopadłym do osi spoiny w obszarze grani spoiny z wadami wewnętrznymi typu łańcucha pęcherzy
Impulsy magnetostrykcyjne 48
Sygnał echa IM dla rury z wadami (długość L = 15 m) Detekcja bezkontaktowa wad w rurach metodą impulsów magnetostrykcyjnych (IM)
Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących Detekcja nieciągłości metodami NNT zalety i korzyści: są w wielu przypadkach szybsze i łatwiejsze do zastosowania niż UT i XRD, dedykowane są szczególnie do zastosowań, gdzie potrzebne jest skanowanie większych obiektów np. rurociągi, szyny, płyty pozwalają na wyznaczenie charakterystyki geometrycznej wykrytych nieciągłości 50
Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących PODSUMOWANIE Nasze metody umożliwiają przejście od wykrywania nieciągłości do przewidywania, gdzie mogą wystąpić, co przekłada się na: poprawę efektywności kosztowej, minimalizowanie ryzyka awarii, poprawę bezpieczeństwa osób i mienia, wydłużenie czasu eksploatacji urządzeń i konstrukcji, wydłużenie czasokresów pomiędzy remontami postojowymi. 51
Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących Dziękuję za uwagę zapraszam do współpracy i na konferencję DMIUT 52
Innowacyjne Techniki Badań Nieniszczących trwałość i niezawodność materiałów i urządzeń technicznych zużycie eksploatacyjne, procesy degradacji i niszczenia materiałów diagnostyka stanu materiałów i obiektów w gospodarce morskiej, energetyce i transporcie, diagnostyka komputerowa. DMIUT 2017 53