Неразрушающие методы испытаний (продолжение)

Магнитные, электрические и электромагнитные методы

Дефектоскопия металла

Сущность метода заключается в том. что магнитный поток, прохо­дящий в металле и пересекающий трещину или иной дефект, встречает большое магнитное сопротивление в виде прослойки воздуха или неферро­магнитного включения, а силовые линии, искривляясь, выходят на поверх­ность, что обусловливает возникновение местных потоков рассеяния.

На рис.1а показано такое искажение потока, выходящее за кон­тур исследуемого элемента. Рассеивание будет тем значительнее, чем больше вызывающий его дефект. В одинаковых условиях наибольшим яв­ляется влияние дефекта, расположенного перпендикулярно к направлению силовых линий (рис.16).

а б

Рис.1. Выявление дефектов по рассеиванию магнитного потока:

а - образование местного магнитного потока рассеивания у трещины;

6 - влияние ориентировки дефекта;

1 - исследуемый элемент; 2 - трещина; 3 - силовые линии магнитного поля; 4 - местный магнитный поток рассеивания; 5 - дефект, ориентированный перпен­дикулярно магнитим силовым линиям; 6 - то же, параллельно им

Намагничивание производится с помощью электромагнитов с ис­пользованием индукционных токов, циркулярным намагничиванием (т.е. с пропуском тока непосредственно через исследуемый элемент) и т.д. Необ­ходимость намагничивания в двух взаимно перпендикулярных направлени­ях для выявления различным образом ориентированных дефектов отпадает при применении комбинированного метода - с одновременным воздейст­вием как постоянного поля электромагнита, так и циркулярного поля пере­менного тока, что обусловливает переменное направление намагничивания. Выявление дефектов производится различными методами.

Порошковый метод является самым простым и наиболее доступ­ным. В нем применяют мелкоразмолотые ферромагнитные порошки - же­лезный сурик, окалину и т.п., выбирая цвет порошка контрастным по от­ношению к цвету предварительно зачищенной проверяемой поверхности. Порошок наносится или сухим способом (напылением) либо в виде водной суспензии, что предпочтительнее при контроле строительных конструкций, ил керосино-масляной (этот прием целесообразен при контроле смазанных маслом деталей механизмов).

Над местами расположения дефектов порошок оседает в виде хо­рошо заметных скоплений. Четче всего выявляются поверхностные дефек­ты. Неровности сварных швов не мешают выявлению поверхностных дефектов, но затрудняют исследование расположенных в глубине. Так, на­пример, в швах толщиной 10 мм удовлетворительно в виде прямых линий выявляются непровары, расположенные на расстоянии 2...4 мм от поверх­ности и идущие вглубь на 3...5 мм.

Магнитографический метод широко применяется при контроле сварных швов металлических трубопроводов. Намагничивание произво­дится соленоидами, охватывающими или всю трубу или часть ее периметра при больших диаметрах. Витки соленоида располагаются параллельно шву по обеим его сторонам. Для фиксации потоков рассеивания на шов накла­дывается магнитная лента, аналогичная применяемой в магнитной звукоза­писи, но несколько большей ширины. Использованные ленты размагничи­ваются и становятся вновь пригодными к употреблению.

Для расшифровки записи используют звуковые индикаторы или устройства для визуального наблюдения импульсов на экране электронно­лучевой трубки и сопоставления их с импульсами от эталонированных де­фектов. Имеются устройства, дающие и видимые изображения выявленных дефектов.

Указанным методом может производиться сплошная проверка швов. Для контроля наиболее серьезные из отмеченных дефектов дополни­тельно просвечиваются ионизирующими излучениями. Такое комбиниро­ванное использование разных методов оказывается весьма эффективным.

Применение магнитоскопов. В качестве примера на рис.2 схе­матически показан принцип действия одного из наиболее известных при­боров такого типа - дефектоскопа К.Х. Хренова и СТ. Назарова. Сигналы о наличии дефекта в производственных условиях преобразуются обычно в звуковые, но могут быть использованы как показывающие, так и регистри­рующие приборы (измерители тока или напряжения, осциллографы и т.п.).

Рис. 2. Схема дефектоскопа К. X. Хренова и С. Т. Назарова:

1 - электромагнит; 2 - электромагнитный датчик; 3 - проводка к сета переменного тока; 4 - то же к усилителю; 5 - проверяемый элемент; 6 - дефект

Основным недостатком приборов рассматриваемого типа является довольно значительная длина базы их чувствительных элементов (в данном случае сердечника 2), что затрудняет уточнение границ и протяженности дефектов, поскольку регистрируются усредненные данные по длине базы искателя.

Эти затруднения в значительной степени устраняются при пользовании феррозондами в виде малогабаритных линейных сердечников сечением до 1...3 мм с катушками.

Магнитные толщиномеры

С помощью магнитных и электромагнитных приборов толщина элементов из ферромагнитных металлов определяется с точностью до не­скольких процентов, требуя доступа лишь с одной стороны. При этом ис­пользуется существующая зависимость между регистрируемой величиной магнитного потока и толщиной исследуемого материала. Приборы такого типа просты и надежны в работе.

При доступе с двух сторон магнитными и электромагнитными методами могут быть определены толщины и неферромагнитных ма­териалов, что и используется для управления технологическим процессом на поточной линии. В качестве примера на рис.3 приведена схема маг­нитного толщиномера, где пара феррозондов 4 смонтирована вместе с по­стоянным магнитом 3 в «щупе» 2, С другой стороны элемента к нему при­жат аналогичный магнит. Положение магнита в щупе регулируется так, чтобы при заданной толщине стенки ток от обоих феррозондов был равен нулю. Шкала измерительного прибора 5 отградуирована на отклонения от заданной толщины.

Рис.3. Схема магнитного толщиномера для немагнитных материалов:

1 - проверяемый элемент; 2 – «щуп»; 3 - постоянные магниты; 4 - феррозонды;5 -регистрирующий прибор

Магнитными и электромагнитными методами с большой точно­стью могут быть измерены также толщины защитных покрытий на метал­лических элементах.

Определение напряжений с помощью магнитоупругого тестера

Метод, основанный на возникновении магнитной анизотропии под действием приложенных напряжений. Из числа приборов, работающих по данному принципу, следует отметить прибор конструкции Н. Н, Максимо­ва, схема преобразователя которого (три сердечника с пятью катушками) показана на рис.4.

В центре сердечника расположена питающая катушка 1, а по диа­гоналям его - две пары измерительных катушек (2 и 3). Магнитный поток из средней катушки, попадая в исследуемый материал, рассредоточивается в основном по четырем направлениям. При одинаковой магнитной прони­цаемости потоки будут равны, а при наличии же магнитной анизотропии – различны, что и измеряется прибором.

Рис. 4. Схема чувствительного элемента прибора Н. Н. Максимо­ва для определения остаточных напряжений:

1- питающая катушка; 2 и 3 - измерительные катушки; 4 - исследуемый элемент. Пунктиром со стрелками показано направление магнитных потоков исследуемом элементе.

Измерительная схема построена таким образом, что электродви­жущая сила катушек может определяться как в каждой диагонали в отдель­ности, так и по их разности и сумме. При измерениях «на разность», пово­рачивая сердечник в плане, по экстремумам отсчетов выявляется направле­ние главных напряжений в металле. По повторным измерениям при одина­ковом положении сердечника можно судить о постоянстве напряженного состояния в данной точке или об его изменении. При измерениях «по сум­ме» можно судить о величине главных напряжений.

Необходимо иметь в виду следующее:

• магнитный поток, проходя в поверхностном слое металла, харак­теризует напряженное состояние лишь у поверхности элемента;

• на результаты измерений оказывает значительное влияние на­чальная магнитная анизотропия металла;

• при последовательных нагрузках и разгрузках появляются петли магнитного гистерезиса, не связанные с механическими напряжениями.

Другим перспективным направлением оценки напряженного со­стояния металла по его магнитным характеристикам является метод «маг­нитных меток». Сущность его заключается в наведении внешним маг­нитным полем остаточной намагниченности в отдельных локализованных зонах исследуемого металла. При изменении напряженного состояния по­следнего меняется и намагниченность этих «меток», являющихся таким образом своеобразными индикаторами механических напряжений.

Наведение и индикация намагниченности меток производятся с помощью специальных переносных приборов.

Рассматриваемый метол предложен для контроля натяжения арма­туры в железобетонных конструкциях. Как наведение, так и индикация со­стояния гранитных меток, могут осуществляться на оголенной арматуре до ее бетонирования и в уже забетонированных деталях и конструкциях - че­рез защитный слой бетона.

Необходимо подчеркнуть следующее:

• данным методом выявляется лишь изменение напряженного со­стояния по сравнению с имевшим место при нанесении меток;

• переход от измерения остаточной намагниченности меток к механическому напряжению в арматуре может быть произведен лишь при наличии экспериментально установленной зависимости для данной армату­ры, поскольку для разных меток металла эта зависимость не является ста­бильной;

• чередование нагрузок и разгрузок сопровождается появлением петель магнитного гистерезиса. Для исключения их влияния требуется по­вторное нанесение меток перед переменой знака изменения напряжений.

Возможны и другие методы оценки напряженного состояния ме­талла, например, по изменению электрического сопротивления (проводи­мости) и токовихревой, успешно разрабатываемые в настоящее время.

Приборы рассматриваемого типа надежны и удобны в применении.

Приборы магнитно-индукционного типа

Для выявления положения и глубины залегания арматуры предло­жены магнитометрические приборы, состоящие из двух постоянных маг­нитов, в центральной части магнитного поля, которых расположен на оси небольшой магнит, соединенный со стрелкой-указателем. При приближении к арматуре напряженность магнитного поля в средней точке из­меняется, что обусловливает возникновение магнитного момента, повора­чивающего магнитик со стрелкой. Экстремум отклонения указателя соот­ветствует расположению прибора на поверхности контролируемого изде­лия над осями арматурных стержней, а отклонение стрелки указывает на толщину защитного слоя бетона.

Принцип действия одного из наиболее распространенных прибо­ров индукционного типа схематически показан на рис. 5.

Индуктивный преобразователь 1 передвигается по поверхности ис­следуемой железобетонной конструкции или детали. Отдельно от него в корпусе прибора помещен аналогичный преобразователь с ферромагнит­ным смещаемым элементом 3, предназначенным для изменения индуктив­ного сопротивления при балансировке схемы. По мере приближения пре­образователя 1 к арматурному стержню разбаланс, зависящий от толщины защитного слоя, диаметра стержня и ориентировки преобразователя по от­ношению к его направлению, будет уменьшаться.

Шкала отсчетного устройства прибора проградуирована в милли­метрах защитного слоя для арматурных стержней разного диаметра.

Рис. 5. Индукционный прибор для проверки положения и диаметра арматуры и толщины защитного слоя:

1 - выносной индуктивный преобразователь; 2 - преобразователь в корпусе прибо­ра: 3 - стержень для регулирования индуктивного сопротивления; 4 - проводка к источнику переменного тока; 5 - проводка к отсчетному устройству; 6 - железобе­тонный элемент; 7 - арматурный стержень

Установив расположение стержней, передвигают преобразователь вдоль контролируемого стержня до положения, соответствующего мини­мальному отсчету, следя за тем, чтобы преобразователь находился между пересечениями арматуры. Записав толщины защитного слоя по шкалам всех диаметров, повторяют отсчет, поместив между бетоном и преобразователем прокладку, толщиной, например, 10мм из оргстекла, дерева или другого диамагнетика. Диаметр арматуры будет соответствовать той из шкал, разность отсчетов по которой окажется равной именно 10мм.

Определение влажности древесины

По замеренному электрическому сопротивлению можно судить о состоянии материала в конструкции, пользуясь соответствующими зависи­мостями между электропроводимостью и влажностью для данного сорта дерева.

Измерения производятся с помощью игольчатых электродов, за­глубляемых в древесину на 5..10мм, что характеризует элект­росопротивление ее поверхностного слоя. Для элементов, эксплуатируемых в течение длительного времени при постоянном температурно-влажностном режиме (например, для внутренних несущих конструкций в сооружениях), по этим данным можно судить о влажности по всей толщи­не сечений элементов.

 

Методы, основанные на использовании ионизирующего излучения

Неразрушающий контроль с помощью ионизирующих излучений эффективно используют во всех областях народного хозяйства.

В настоящее время в строительстве широко применяют контроль рентгеновскими и гамма-излучениями для оценки физико-механических характеристик материалов и качества конструкций. При определении влажности материала оказывается целесообразным использование потока нейтронов.

Преимуществом применения ионизирующих излучений является возможность быстрого и четкого получения определяемых характеристик. Работа с соответствующей аппаратурой хотя и не сложна, но требует нали­чия подготовленного для этой цели персонала. Необходимо также тща­тельное соблюдение требований техники безопасности во избежание вред­ного влияния ионизирующих излучений на организм человека.

Область применения рентгеновского и гамма-излучений

Наиболее важные направления для исследования дефектов в ме­таллических конструкциях следующие.

1. Дефектоскопия сварных соединений. На рис. 1 схематически показано просвечивание сварного шва. Наличие и положение дефекта выявляется на получаемом фотоснимке по более затемненному участку, воспроиз­водящему очертания отмечаемого дефекта.

а

б

Рис. 1. Выявление дефекта в сварном шве:

а - схема просвечивания; 6 - эталон чувствительности (дефектометр); 1 - ионизирующий поток; 2 - наваренный металл шва; 3 - основной металл; 4 - дефект; 5 - фотопленка; 6 - эталон чувствительности

О величине его в направлении просвечивания судят сравнивая ин­тенсивность вызванного им затемнения с затемнением, соответствующим пропилам разной глубины на эталоне чувствительности (рис. 1) из ана­логичного материала, проецируемым на тот же снимок.

Глубина расположения дефекта выявляется смешением источника излучения параллельно фотопластинке.

Схема определения положения дефекта незначительной толщины показана на рис.2. При этом расстояние х от дефекта до поверхности снимка определяется из соотношения

, (3.6.)

где с, с' и F - размеры, показанные на рис. 2.

При дефектах одинакового размера и формы интенсивность по­темнения будет наибольшей при совпадении направления дефекта с на­правлением просвечивания (рис.3, поз. 2).

При расположении дефекта под некоторым углом (рис.3, поз. 2') излучения будут пересекать его по меньшему протяжению. Минималь­ная длина до пересечения, а, следовательно, и наименьшая интенсивность потемнения, соответствует ориентировке дефекта перпендикулярно на­правлению просвечивания (рис.3, поз. 2").

Рис.2. Определение глубины расположения дефекта:

1 - просвечиваемый элемент; 2 - дефект. 3 - фотопленка; 4 и 4' - источник излу­чения в двух позициях; 5 и 5' - затемненные участки фотопленки; с - смешение источника излучения; с' - смешение центра заснятого изображения, F - фокусное расстояние; х - расстояние от фотопленки до горизонтальной оси дефекта.

Рис.3. К влиянию ориентации дефекта:

1 - просвечиваемый элемент; 2,2', 2" - различные ориентации дефекта;

3 - источники излучения; 4 - направления просвечивания

Дефекты незначительной толщины могут при этом остаться и не­обнаруженными. Отсюда следует важный вывод, что при применении ио­низирующих излучений могут быть пропущены серьезные дефекты, но с малым раскрытием в направлении просвечивания (например, расслоение металла). Во избежание этого просвечивание следует производить по двум несовпадающим направлениям.

В то же время именно перпендикулярные к заданному направлению дефекты наиболее четко устанавливаются ультразвуковыми методами, по­скольку даже самые незначительные воздушные прослойки почти полностью гасят волны ультразвуковых колебаний. Оба метода контроля - ультразвуко­вой и с помощью ионизирующих излучений - таким образом, дополняют друг друга.

2. Определение напряженного состояния металла. Зная длину волны монохроматического рентгеновского излучения и угол падения его лучей на поверхность проверяемой детали, можно на основании замеров на соответствующих рентгенограммах вычислить основной параметр кри­сталлической структуры исследуемого материала - расстояние между цен­трами атомов в его кристаллической решетке. Сопоставляя полученное значение с величиной того же параметра в ненапряженном состоянии, можно определить упругую деформацию материала.

Таким образом, может быть выделена (что без нарушения сплошно­сти неосуществимо другими методами) упругая составляющая деформиро­ванного состояния металла: в сварных швах после их остывания, в зонах рез­ких перепадов напряжений, в деталях, обработанных давлением, например гнутых профилях, и т. д. Измерения при этом производятся (что также очень существенно) на весьма малых участках поверхности (порядка десятых долей мм²).

Однако рассматриваемый метод требует применения сложной ап­паратуры и большой тщательности всех измерений. В то же время напря­жения могут быть оценены лишь со сравнительно незначительной точно­стью (для стали - порядка 100-200 кгс/см²).

Приборы неразрушающего контроля нового поколения

В последние годы в России отечественными учеными создан целый комплекс малогабаритных электронных приборов неразрушающего кон­троля и неразрушающей дефектоскопии, которые позволяют:

- определять влажность, температуру и коэффициент теплопро­водности различных материалов, из которых изготовлены строительные конструкции;

- выявлять наличие микротрещин, выходящих на поверхность ме­таллоконструкций, ферромагнитных деталей и сварных швов;

- косвенно контролировать прочность бетона, толщину защитного слоя и диаметр арматуры в железобетонных конструкциях.

 

Основы моделирования строительных конструкций и сооружений

Моделирование основано на подобии процессов и явлений, проте­кающих в разных агрегатах.

С точки зрения физической природы моделируемых явлений раз­личают два вида подобия:

- математическое (одинаковая форма уравнений, описывающих физически разнородные явления);

- физическое (одинаковая физическая природа подобных явлений).
По полноте соответствия модели натуре указанные виды подо­бия делятся:

- абсолютное (требует тождества явлений);

- полное (осуществляется во времени и пространстве);

- неполное (во времени или в пространстве);

- приближенное (связано с упрощающими допущениями, заведомо известными и оцениваемыми количественно).

По природе явлений физическое подобие можно разделить:

- механическое (сумма кинематического, материального и динами­ческого подобий);

- газодинамическое, тепловое;

- электрическое, физико-химическое и др.

Примерная классификация видов подобия при моделировании про­цессов приведена на рис. 4. Таким образом, сущность инженерного моделирования состоит в том, что натурный объект на основе принципов теории подобия заменяется его аналогом-моделью.

Теоретическая основа моделирования - теория подобия, которая устанавливает определенные соотношения между геометрическими разме­рами, свойствами материалов, нагрузками и деформациями модели и на­турной конструкции.

Рис. 4. Классификация видов подобия

Все виды подобия подчиняются трем теоремам.

Первая теорема указывает необходимые условия подобия и формулирует свойства подобных систем: явления или системы называются no-зобными, если равны их соответствующие критерии подобия, составленные из параметров системы.

Вторая теорема подобия (-теорема) доказывает возможность приведения уравнения процесса к критериальному виду: функциональная связь между характеризующими процесс величинами может быть пред­ставлена в виде зависимости между составленными из них критериями по­добия.

Третья теорема подобия показывает пределы закономерного рас­пространения единичного опыта: необходимыми и достаточными условия­ми подобия являются пропорциональность сходственных параметров, вхо­дящих в условия однозначности, а также равенство критериев подобия изу­чаемого в натуре и на модели явления.

К условиям однозначности относятся не зависящие от механизма явления факторы системы: геометрические свойства; физические парамет­ры; начальные условия; начальное состояние; граничные или краевые условия; взаимодействие с внешней средой. Если рассматриваются сложные, нелинейные или анизотропные системы, то необходимо соблюдать и ряд дополнительных положений.

Практические задачи моделирования

На практике моделирование даст возможность очень эффективно решать большое число довольно сложных задач:

1. Выявить экспериментальным путем при минимальных затратах материала, трудоемкости и стоимости действительную картину распре­деления усилий во всех характерных сечениях и узловых сопряжениях эле­ментов конструкций.

2. Произвести экспериментальным путем анализ напряженного состояния сложного сооружении взамен аналитического расчета, когда ме­тоды строительной механики и теории упругости неприемлемы.

3. Проверить правильность гипотез, положенных в основу ана­литического расчета.

4. Уточнить расчетную схему сооружения.

5. Определить характер разрушения и разрушающую нагрузку.

6. Определить реальный запас прочности сооружения.

7. Установить влияние различных факторов на работу конструк­ции - свойств материалов, условий сопряжении, податливости основания и др.

При этом для новых сложных и малоизученных сооружений исследование может вестись в несколько этапов:

1) расчет на ЭВМ с применением математического моделирования юн исследования маломасштабной модели (1/10... 1/20);

2)исследование крупномасштабной модели (1/2... 1/5);

3)натурные испытания сооружения или его отдельных узлов и элементов с практическим использованием либо физического, либо анало­гового, либо математического моделирования с применением поляризационно-оптических методов или голографических моделей.