Partner serwisu

Co mówi pamięć metalu?

Kategoria: Remonty, UR

Jak wygląda ocena jakości połączeń spawanych metodą magnetycznej pamięci metalu? I jak wypada ona w porównaniu z metodami: radiologiczną i ultradźwiękową?

Co mówi pamięć metalu?

    

Rys. 1. Schemat kontroli doczołowego połączenia spawanego rur przy użyciu wielokanałowego urządzenia skanującego przyrządu z serii IKN: 1, 2, 3 – sondy pomiarowe urządzenia skanującego, odczytujące wielkość pola Нр powierzchni połączenia spawanego; 4 – sonda kontrolna niwelująca wielkość magnetycznego pola Ziemi lub innego sztucznego pola H występującego w obszarze badania; 5 – koła urządzenia skanującego, służącego do pomiaru długości drogi w trakcie badań; Δlб – bazowa odległość (dla każdego rozmiaru spoiny może być różna) pomiędzy sondami.

    Jednym z ważnych i złożonych problemów współczesnych badań nieniszczących (BN), dotyczących jakości różnych typów połączeń spawanych, jest poszukiwanie w nich „słabego ogniwa” wśród kompleksu czynników: strukturalno-mechaniczna niejednorodność – wada połączenia spawanego – konstrukcyjny i technologiczny koncentrator naprężeń. Kompleks ten, upraszczając, jest strefą z dużą niejednorodnością stanu naprężeń i odkształceń lub też strefą koncentracji naprężeń (SKN). Jest to ważne zarówno przy wykonywaniu połączeń spawanych (bezpośrednio po spawaniu) dla optymalizacji procesu technologicznego, jak i podczas ich eksploatacji.
    Tradycyjna defektoskopia (VT,UT,RT,MT,PT) jest zorientowana tylko na poszukiwanie nieprawidłowości w połączeniach spawanych. Nie może określić rzetelnej oceny ich jakości pod względem prawidłowej budowy sieci krystalicznej spoiny i strefy wpływu ciepła, stanu naprężeń, konieczności obróbki cieplnej po spawaniu i wielu innych. Opierając się jedynie na wynikach defektoskopii połączenia spawanego trudno określić przyczyny wadliwości spoiny i doskonalić technologię spawania.
    W warunkach, kiedy na trwałość połączeń spawanych wpływa bardzo wiele czynników, niezbędna jest metoda badań nieniszczących, która integralnie oceniłaby stan metalu w połączeniu spawanym.
     W Rosji została opracowana i od wielu lat jest sukcesywnie wdrażana w różnych gałęziach przemysłu, zasadniczo nowa metoda diagnostyki metalu wyrobów i połączeń spawanych oparta na wykorzystaniu zjawiska magnetycznej pamięci metalu (MPM).
    Zgodnie z normami: PN-ISO 24497-1 Magnetyczna Pamięć Metalu Cz.1 Słownictwo, PN-ISO 24497-2 Magnetyczna Pamięć Metalu Cz. 2.Wymagania Ogólne, PNISO 24497-3 Magnetyczna Pamięć Metalu Cz.3 Kontrola złączy spawanych, magnetyczna pamięć metalu to zapis wyniku obciążeń, który pojawia się w postaci namagnesowania szczątkowego wyrobu metalu i połączenia spawanego, utworzony w trakcie procesu ich wykonywania, a następnie ochłodzenia w słabym polu magnetycznym lub też w postaci nieodwracalnego stanu namagnesowania wyrobu w strefach koncentracji naprężeń i uszkodzeń od działania roboczych obciążeń.

Rys. 2. Wyniki badań odcinka połączenia spawanego rurociągu pary (śr. 273×32, 12H1МF) wykorzystaniem metody MPM i analiza struktury metodą zgładu metalograficznego.

Magnetyczna pamięć metalu
    Metoda magnetycznej pamięci metalu (metoda MPM) oparta jest na analizie rozkładu własnego magnetycznego pola rozproszonego (WMPR) na powierzchni wyrobu w celu określenia (ujawnienia) stref koncentracji naprężeń (SKN), wad i niejednorodności w strukturze metalu wyrobu lub połączenia spawanego. WMPR natomiast to własne magnetyczne pole rozproszone, powstające na powierzchni wyrobu w obszarach skupisk dyslokacji pod wpływem roboczych obciążeń lub też naprężeń szczątkowych i w obszarach maksymalnej niejednorodności struktury metalu. W pracach [1, 2, 3, 4] opisano bardziej dokładnie podstawy fizyczne i praktyczne możliwości metody MPM.
    Na drodze odczytywania WMPR, odzwierciedlających namagnesowanie szczątkowe utworzone naturalnym sposobem w procesie spawania, można dokonać integralnej oceny faktycznego stanu połączenia spawanego z uwzględnieniem strukturalnych niejednorodności, rozkładu naprężeń szczątkowych i wad po spawaniu.
    Wszystkie wady, występujące w połączeniach spawanych na etapie wykonywania wyrobu, są koncentratorami naprężeń. Jednakże nie wszystkie z nich będą się rozwijać w procesie eksploatacji, jeżeli gęstość energii mechanicznej w strefie koncentracji naprężeń jest niewystarczająca do tego, żeby zapewnić rozwój wady. Określenie parametrów wad podczas jednoczesnej oceny ich stanu naprężeniowego jest głównym zadaniem metody MPM.

Rys. 3. Wyniki kontroli odcinka spoiny obwodowej zbiornika reaktora R-701/2 metodą magnetycznej pamięci metalu i ultradźwiękową; a) wyniki badań MPM w strefie KNmax: linie na górze wykresu przedstawiają rozkład magnetycznego pola Hp: linie w dolnej części pokazują rozkład gradientu dHp/dx, b) diagram sygnału badań UT w strefie KNmax. z defektoskopu cyfrowego A1212 (prod. rosyjskiej).

Kontrola połączeń spawanych
    Obecnie uzyskano znaczne doświadczenie związane z kontrolą połączeń spawanych i opracowano procedurę oceny magnetycznych sygnałów w ten sposób, że po wielkości amplitudy i szerokości sygnału można określić długość i głębokość zalegania wady. Wykorzystanie metody MPM w obszarze defektoskopii obecnie aktywnie się rozwija. Przy tym najbardziej rozwija się połączenie metody MPM z badaniami radiologicznymi (RT) lub ultradźwiękowymi (UT).
    Badania metodą MPM przebiegają bez konieczności przygotowywania powierzchni i specjalnego namagnesowania, co pozwala na przeprowadzenie szybkiej kontroli jakości połączeń spawanych w ręcznym lub automatycznym reżimie w produkcji masowej różnych wyrobów wykonywanych ze stali, staliwa lub żeliwa, a także ze stopów austenitycznych lub ferryto-austenitycznych[5]. Przeprowadza się je za pomocą specjalistycznych małogabarytowych przyrządów, mających własne zasilanie, urządzenia skanujące i rejestrujące. Przyrządy z serii IKN (mierniki koncentracji naprężeń) nie posiadają analogowych odpowiedników, produkowane seryjnie przez przedsiębiorstwo „Energodiagnostika” w Moskwie (Rosja). Przyrządy są certyfikowane w Federalnej Agencji Normalizacji i Miar Rosyjskiej Federacji i umieszczone w zapisach państwowego rejestru urządzeń pomiarowych.

Rys. 4. Wyniki kontroli spoiny południkowej dennicy dolnej zbiornika reaktora R-701/1.

 

Analiza wyników
    Na rys. 1 przedstawiono małogabarytowe urządzenie skanujące (US) na doczołowym połączeniu spawanym rur podczas kontroli metodą MPM. Jak widać na rys.1, sondy pomiarowe 1 i 3 rozmieszczone są w strefach wpływu ciepła (SWC), sonda pomiarowa 2 rozmieszczona między nimi na środku spoiny, a sonda 4 odwrócona w przeciwną stronę przeznaczona jest do odczytywania zewnętrznego pola w celu odjęcia jego wielkości w trakcie badania.
    Na rys. 2 przedstawiono wynik kontroli odcinka połączeniaspawanego rurociągu pary śr. 273x32,12H1MF z wykorzystaniem metody MPM wraz z analizą struktury metodą zgładu metalograficznego.
    Lokalne zmiany pola Нр w danym przypadku odpowiadają rozmieszczonym wadom w metalu spoiny, powstałych podczas wykonywania połączenia spawanego (wtrącenia, szlaki, pory).

Rys. 5. Wyniki kontroli spawanego połączenia pachwinowego rurociągów parowych (śr. 325×38 mm i śr. 219×25 mm).


    Na rys. 3 przedstawiono fragment wyników kontroli połączenia spawanego zbiornika reaktora R-701/2 polimeryzacji polichlorku winylu. Szerokość spoiny 15 mm. Grubość ścianki zbiornika wynosi 27 mm i wykonana jest ze stali węglowej. Powierzchnia wewnętrzna zbiornika jest platerowana stałą kwasoodporną 316L o grubości 3 mm. W strefie koncentracji naprężeń maksymalnych (KNmax), charakteryzującą się skaczącymi zmianami w rozkładzie magnetycznego pola Hp, znajduje się maksymalny gradient magnetycznego pola dH/dx na trzecim kanale Hp3. Podczas kontroli sonda pomiarowa tego kanału obejmowała SWC (patrz schemat kontroli na rys. 3).
    Na rys. 3 pokazano rozmieszczenie strefy KNmax, która przebiega na długości ok. 40 mm. Jednakże długość odcinka, na którym gradient pola dH/dx miał maksymalne wielkości i który określa położenie lokalnej wady, potwierdzonej UT, wynosi 10 mm. Na rys. 3b pokazano diagram sygnału UT od wady na głębokości 7,5 mm w SWC w strefie maksymalnej wielkości gradientu dH/dx.

Rys. 6. Wyniki kontroli połączenia spawanego dwóch blach metodą MPM i RT.


    Na rys. 4a przedstawiono wyniki kontroli metodą MPM odcinka spoiny południkowej dennicy dolnej zbiornika reaktora R-071/1 polimeryzacji polichlorku winylu. Podczas kontroli w strefie KNmax metodą UT ujawniono pęknięcie o długości 15 mm (patrz rys. 4b). Należy stwierdzić, że pęknięcie znajduje się w strefie koncentracji naprężeń. Jednakże proszę zauważyć na rys. 4a i 4b ( strzałka „A”), że w „strefie pęknięcia” wielkości gradientów dH/dx i dH/dz (rys.4a) są niewielkie w porównaniu z miejscem w SWC, gdzie wzdłuż spoiny dalej przebiega linia (czerwona), dla której Hp=0 A/m. Z obu stron linii Hp=0 A/m wielkości pola Hp są duże, charakteryzują się różnobiegunowym „+” i „-” rozkładem pola Hp odczytanym przez sondy H1 i H2 z maksymalnymi gradientami dH/dx i dH/dz (dH/dz gradient zmiany pola Hp pomiędzy dwoma sondami). Rozkład pola Hp przedstawiony na rys. 4 jednoznacznie wskazuje, że pęknięcie powiększałoby się (rozwijałoby się) do końca wzdłuż czerwonej linii, dla której Hp=0 A/m. Na rys. 5 przedstawiono wyniki kontroli metodą MPM spawanego połączenia pachwinowego rurociągów parowych (śr. 325x38 mm i śr. 219x25 mm) . Rysunek 5b przedstawia rozkład pola Hp wzdłuż spoiny pachwinowej z zaznaczoną strefą KNmax, posiadający różnoimienne wielkości pola Hp z maksymalnym gradientem dH/dx dla trzech sond pomiarowych.
W strefie KNmax w trakcie uzupełniającej kontroli metodą prądów wirowych zlokalizowano w tym miejscu poprzeczne pęknięcie o długości 20 mm. Po szlifowaniu miejsca z pęknięciem stwierdzono, że rozwijało się ono z zewnętrznej powierzchni rury śr. 219x25 mm prostopadle do spoiny. Przy czym maksymalna zmiana wielkości pola Hp i jego gradientu stwierdzona została przez sondę H1 w SWC od strony rury śr. 219x25 mm. Na rys. 6 przedstawiono wyniki porównawczych badań spoiny dwóch płaskich blach (L=290 mm, S=10 mm, stal 20) metodami MPM i RT. Spoinę wykonano metodą  spawania pod topnikiem. Poniżej na diagramie rozkładu pola magnetycznego Hp zaznaczono odcinki ze strefami koncentracji naprężeń i maksymalnymi gradientami dH/dx intensywności rozkładu pola Hp (ЗКН-1=SKN- 1,ЗКН-2=SKN-2, ЗКН-3=SKN-3 i ЗКН-4=SKN-4). W strefie SKN-3 badania RT ujawniły wadę braku przetopu, a w SKN-1 i SKN-2 wady określono, jako małe na poziomie dopuszczalnych porów. W strefie SKN-4 badanie RT nie ujawniło żadnej wady.


Rys. 7. Wyniki kontroli połączenia spawanego nr 12-13 magistralnego rurociągu gazowego   śr. 720×7 mm: а – kołowy diagram intensywności rozkładu gradientu dHp/dx magnetycznego pola Hp; b – fragment diagramu rozkładu gradientu dHp/dx w wadliwej strefie A „ зонa А”.

Poniżej na rys. 7a przedstawiono diagram intensywności rozkładu gradientu dH/dx magnetycznego pola rozproszonego po obwodzie spoiny obwodowej rurociągu gazowego śr. 720x7 mm. Na rys. 7b przedstawiono fragment diagramu intensywności rozkładu gradientu dH/dx w wadliwej strefie „зoнa A” otrzymanego z pomiarów pola Hp przez jedną z sond przechodzącą wzdłuż środka spoiny. Zgodnie z metodą MPM, szerokość otrzymanego sygnału odpowiada 12 mm długości wady. Wyniki otrzymane na drodze badań radiologicznych w strefie „зoнa A” wskazały na niedopuszczalną wadę na długości nie mniejszej niż 10 mm.
    Na kołowym diagramie (rys. 8a) przedstawiono wyniki rozkładu intensywności gradientu dH/dx magnetycznego pola rozproszenia Hp innej obwodowej spoiny rurociągu gazowego śr. 720x7 mm. Zgodnie z teorią metody MPM wyznaczono strefy koncentracji naprężeń, w których innymi metodami BN można określić położenie i rozmiary istniejących wad w ujawnionych strefach SKN.


 Rys. 8. Wyniki kontroli obwodowej spoiny montażowej nr.19-20. rurociągu magistralnego śr. 720 × 7мм: а – okrągły diagram rozkładu gradientu pola magnetycznego dHp/dx; b – fragment rozkładu gradientu pola magnetycznego dHp/dx w strefie z wadą i rozmieszczenie wad według metody MPM i RT.

    Na rys. 8b przedstawiono fragment rozkładu gradientu magnetycznego pola rozproszonego dH/dx w strefie „A” z wadami (rys. 8a), dla każdego czujnika pomiarowego, przechodzącego wzdłuż strefy wpływu ciepła spoiny. Szerokość sygnału magnetycznego odpowiada według metody MPM długości wady, wynoszącą 14 mm i 20 mm. Według danych uzyskanych z RT dla tej spoiny w strefie „A” została ujawniona niedopuszczalna wada typu Da10>0,1S - brak przetopu w grani spoiny na długości nie mniejszej niż 10 mm. Należy zauważyć przesunięcie rozmieszczenia magnetycznych sygnałów, zarejestrowanych na powierzchni spoiny, od rozmieszczenia głębokości zalegania wad, zarejestrowanych metodami RT lub UT.
    Takie przesunięcie uwarunkowane jest tym, że magnetyczny sygnał odpowiada płaszczyznom poślizgu dyslokacji, przesuwających się między sobą pod kątem 45˚ na głębokości spoiny w stosunku do maksymalnej koncentracji naprężeń od ostrej krawędzi wady. Silnie oddziaływujące pola naprężeń formują dalekosiężne granice domen wzdłuż płaszczyzn poślizgu; strumień magnetyczny wypływający z tego miejsca na powierzchnię spoiny w postaci magnetycznego pola rozproszenia posiada lokalne zmiany rozkładu magnetycznego pola i jego gradientu [2, 3]. 
    Przykładowe obliczenia głębokości zalegania h strefy z wadą według metody MPM przeprowadza się za pomocą zależności trygonometrycznych według odpowiedniego schematu przedstawionego na rys. 9: gdzie  - długość wady, określona według diagramu gradientu pola magnetycznego dH/dx. Zgodnie z przykładem przedstawionym na rys. 7 (strefa „A”), głębokość zalegania wady h wynosi:.
    Na podstawie przeprowadzonych obliczeń można wnioskować, że wyniki kontroli metodami MPM i RT są zbieżne. Jak pokazano powyżej, wg danych RT w strefi e „A” na głębokości 6÷7 mm w grani spoiny ujawniono brak przetopu na długości 10 mm.
    W przypadku wady przestrzennej, objawiającej się w postaci braku przetopu w grani lub licu spoiny według metody MPM na powierzchni spoiny, odnotowuje się sygnały rozkładu gradientu pola dH/dx o zmiennym znaku. Na rys. 10 przedstawiono rozkład gradientu pola dH/dx w strefie braku przetopu spoiny montażowej nr 12 magistralnego rurociągu gazowego śr. 720x7 mm. Długość odcinka z wadą według metody MPM wynosi 124 mm, wg danych RT brak przetopu w licu spoiny wynosi 130 mm.
    Na przykładzie tym występuje duża ilość magnetycznych sygnałów, uwarunkowanych odpowiednią ilością płaszczyzn poślizgu, powstających w strefach koncentracji naprężeń na krawędziach strefy z wadami. Sygnały te charakteryzują się zmiennym znakiem rozkładu gradientu pola dH/dx od wady przestrzennej (braku przetopu zgodnie z diagramem przedstawionym na rys.10).

Rys. 9. Schemat wyznaczania głębokości zalegania wady według metody MPM.


    W tablicy 1 przedstawiono wyniki kontroli metodą MPM poszczególnych spoin gazociągu śr. 720x7 mm w porównaniu z wynikami kontroli tych spoin metodą RT. Jak widać z tablicy nr 1, procent zbieżności wyników (lub też ujawnionych wad) metodą MPM i w porównaniu z RT waha się w granicach od 70% do 100%.
    Na rurociągu gazowym śr. 720x7 mm metodami MPM i RT skontrolowano 17 spoin obwodowych i dla wszystkich tych spoin zrobiono porównawczą analizę wyników kontroli. W wyniku kompleksowej kontroli i po przeprowadzonej analizie wyników otrzymano poniższe wnioski:
1. Ujawniono wysoki poziom zbieżności wyników kontroli metodami MPM i RT. Co do ilości wad zbieżność wyników wynosi 75%, a co do rozmieszczenia wad – 85%. Stwierdzono, że większość wad (80%) ujawnionych metodą MPM i rentgenem rozmieszczonych jest w strefach koncentracji naprężeń (SKN), które wcześniej były ujawnione metodą MPM.
2. Niezgodne z wynikami kontroli co do ilości wad było ok. 25%, a co do rozmieszczenia wad było ok. 15%; można wyjaśnić to wystąpieniem przyczyn subiektywnych, zależnych od przygotowania diagnosty i różnicami w fizycznej przyrodzie metody MPM i metody RT. Metoda MPM słabo reaguje na wady, niepowodujące koncentracje naprężeń (pory i wtrącenia niemetaliczne), ale takie wady nie są niebezpieczne. Rentgen ujawnia pory i wtrącenia niemetaliczne niezależnie od koncentracji naprężeń. Oprócz tego rentgen – jak wiadomo – nie ujawnia wad w postaci pęknięć. Wizualizacja i dokumentowanie wad na diagramach w metodzie MPM posiada praktyczną wyższość w porównaniu z rentgenowskimi kliszami podczas badań radiograficznych.
3. Należy brać pod uwagę dużą zbieżność wyników kontroli metodą MPM i rentgenem oraz celowością w dalszym zastosowaniu kompleksowej kontroli. Metodę MPM można przeprowadzać bez jakiegokolwiek przygotowania powierzchni spoiny, w reżimie szybkiej kontroli, ujawniającej SKN (strefy z maksymalnymi wadami), zatem w SKN przeprowadza się dodatkowo kontrolę rentgenem.

Rys. 10. Rozkład pola Hp w strefie braku przetopu w licu spoiny montażowej nr 12 magistralnego rurociągu gazowego.

    Doświadczenie uzyskane z praktycznej kontroli metodą MPM połączeń spawanych magistralnych rurociągów gazowych pokazało także, że niedopuszczone przez normy (RT i UT) wady powstałe podczas wykonania rurociągu, ale bez stref KN, nie rozwijają się w procesie długoletniej eksploatacji (30 lat i więcej).

 

LITERATURA
1. Dubov А.А., Diagnostyka rur kotłowych z wykorzystaniem metody magnetycznej pamięci metalu М.: Энергоатомиздат, 1995. 112 с.
2. Własow W.T. , Dubov А.А., Fizyczne podstawy metody magnetycznej pamięci metalu. М.: ЗАО «ТИССО», 2004. 424 с.
3. Dubov А.А., Dubov Al.Аn., Kołokolnikow S.М., Metoda magnetycznej pamięci metalu i przyrządy kontrolne: Podręcznik do nauki. М.: ЗАО «ТИССО», 2006, 332 с.
4. Dubov А.А., Sposób określania eksploatacyjnej trwałości rur z materiałów ferromagnetycznych А.С. 1769105. Патент России // БИ, № 38. 1992.
5. GOST R 52005-2003. Badania nieniszczące. Metoda magnetycznej pamięci metalu. Wymagania ogólne.

Autorzy: Anatoli A. Dubov, Sergiej M. Kołokolnikow, Andrzej Radziszewski Energodiagnostyka Sp. z o.o.

 Artykuł został opublikowany w magazynie "Chemia Przemysłowa" nr 3/2012

 Źródło fot.: www.photogenica.pl

 

 

 

ZAMKNIJ X
Strona używa plików cookies w celu realizacji usług i zgodnie z Polityką Plików Cookies. OK, AKCEPTUJĘ