Электромагнитные и магнитные методы неразрушающего контроля для контроля накопления поврежденности в конструкционных сталях и сплавах (обзор)

Контроль напряженно-деформированного состояния, действующих напряжений, накопленной усталостной поврежденности — одна из задач неразрушающего контроля. В данном обзоре рассмотрены современные исследования в области вихретокового и электромагнитного методов, направленные на решение задачи контроля накопленной поврежденности в конструкционных сталях и сплавах. Отмечены разработки для практической реализации метода коэрцитивной силы, вихретоковой структуроскопии немагнитных материалов, метода высших гармоник, метода контроля по остаточной намагниченности, метода магнитных шумов (шумов Баркгаузена). Рассмотрены физические основы методов неразрушающего контроля, проведен их краткий сравнительный анализ. Приведены примеры контроля изделий ответственного назначения, таких как действующие нефте- и газопроводы, авиационные детали, детали подшипников, сосуды под давлением, детали кранового хозяйства и др. Исследована возможность применения вихретокового метода для контроля аустенитной фазы холоднокатаных аустенитных сталей (AISI 304, AISI 321, AISI 316). Показаны примеры статических и усталостных испытаний образцов из различных сталей и сплавов: Ст3, Ст20, Ст45, Д16Т, АМг6, АМг6Н, 12Х18Н9Т, 08Х18Н9, 40Х, Р91. Рассмотрены вопросы метрологии, отмечены мешающие параметры, влияющие на погрешность измерения. Для ряда методов продемонстрированы примеры используемой аппаратуры. Сделаны выводы о границах применимости указанных методов и существующих ограничениях. В обзорной статье приведены ссылки как на основополагающие труды в области электромагнитной структуроскопии, так и на современные исследования в данной области, имеющие значение для практического внедрения приборов, основанных на электромагнитном и магнитном методах неразрушающего контроля.

1. Дорофеев А. Л., Ершов Р. Е. Физические основы электромагнитной структуроскопии. — Новосибирск: Наука, 1985. — 172 с.

2. Михеев М. Н., Горкунов Э. С. Магнитные методы структурного анализа и неразрушающего контроля. — М.: Наука, 1993. — 252 с.

3. Бида Г. В. Магнитные свойства термоупрочненных сталей и неразрушающий контроль их качества. — М.: Маршрут, 2006. — 304 с.

4. Ничипурук А. П. Модель магнитного гистерезиса и ее применение в магнитной структуроскопии конструкционных сталей: дис. ... докт. техн. наук. — Екатеринбург, 2007. — 262 с.

5. Клюев В. В., Мужицкий В. Ф., Горкунов Э. С., Щербинин В. Е. Неразрушающий контроль: Справочник / Под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 6. Магнитные методы контроля. — М.: Машиностроение, 2006. — 827 с.

6. Покровский А. Д., Хвалебнов Ю. П. Метод высших гармоник в электромагнитной дефектоскопии. — М.: Машиностроение, 1980. — 55 с.

7. Тютин М. Р., Ботвина Л. Р., Левин В. П., Ефимов А. Г. и др. Исследование механических свойств конструкционных сталей акустическими и магнитными методами / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2017. Т. 83. № 7. С. 44 – 48.

8. Соковец К. А. Магнитный контроль параметров ферромагнитных объектов методом высших гармоник: магистерская диссертация. — Томск: ТПУ, ИШНКБ, 2018. — 92 с.

9. Кошельников В. С., Покровский А. Д. Исследование сигналов вихретокового преобразователя при контроле методом высших гармоник / Вестник МЭИ. 2016. № 3. С. 50 – 53.

10. Зайвенко Г. М., Зайцев А. М., Куракин Г. М. Применение метода высших гармоник для оценки работоспособности деталей подшипников качения / Неразрушающий контроль электромагнитными методами. Материалы конференции. Сб. 1. — М.: МДНТП, 1971. С. 79 – 84.

11. Бакунов А. С., Мужицкий В. Ф., Попов Б. Е. Контроль механических свойств алюминиевых сплавов электромагнитным методом / Дефектоскопия. 1995. № 3. С. 61 – 67.

12. Хайлов А. Н., Пенькова Т. Н., Бакунов А. С., Мужицкий В. Ф. и др. Неразрушающий контроль механических характеристик алюминиевых сплавов по удельной электрической проводимости / Дефектоскопия. 2006. № 7. С. 3 – 14.

13. Филинов В. В., Резников Ю. А., Вагин А. В., Кузнецов Н. С. Опыт применения метода эффекта Баркгаузена для контроля напряженного состояния деталей из высокопрочной стали / Дефектоскопия. 1992. ¹ 5. С. 17 – 20.

14. Mishakin V. V., Klyushnikov V. A., Gonchar A. V., Kachanov M. On assessing damage in austenitic steel based on combination of the acoustic and eddy current monitoring / Int. J. Engin. Sci. 2019. Vol. 135. P. 17 – 22.

15. Гончар А. В., Бизяева О. Н., Клюшников В. А., Мишакин В. В. Исследование ультразвуковым и вихретоковым методами процесса пластического деформирования сварного соединения из аустенитной стали / Дефектоскопия. 2016. ¹ 10. С. 76 – 83.

16. Khan S. H., Farhad Ali, Iqbal M. A., Khan A. Nusair. Eddy current detection of changes in stainless steel after cold reductions / NDT. Net Journal. 2007. P. 1 – 6.

17. Горкунов Э. С., Драгошанский Ю. Н., Маховски М. Эффект Баркгаузена и его использование в структуроскопии ферромагнитных материалов / Дефектоскопия. 1998. № 1. С. 5 – 27.

18. Венгринович В. Л., Винтов Д. А. Распределение шумов баркгаузена в зоне концентрации напряжений при усталостных испытаниях стали 10ХСНД / Контроль. Диагностика. 2015. № 8. С. 31 – 38.

19. Венгринович В. Л., Винтов Д. А., Прудников А. Н., Подугольников П. А. и др. Особенности измерения напряжений в ферромагнетиках методом эффекта Баркгаузена / Контроль. Диагностика. 2017. № 8. С. 10 – 17.

20. Гарифуллин Н. М. Система дистанционного контроля напряженно-деформированного состояния трубопроводов на базе электромагнитного метода / Вестник башкирского университета. 2017. Т. 22. № 2. С. 336 – 339.

21. Агиней Р. В. Разработка методики оценки напряженного состояния нефтегазопроводов по коэрцитивной силе металла: дис. ... канд. техн. наук. — Ухта, 2005. — 143 с.

22. Бердник М. М. Развитие метода оценки напряженно-деформированного состояния нефтегазопроводов по коэрцитивной силе металла: дис. ... канд. техн. наук. — Ухта, 2010. — 175 с.

23. Сандомирский С. Г. Взаимосвязь между магнитными параметрами металла околошовной зоны трубных сталей при действии касательных и нормальных напряжений/ Деформация и разрушение материалов. 2016. № 10. С. 30 – 34.

24. Сандомирский С. Г. Взаимосвязь между магнитными параметрами металла трубных сталей в напряженном состоянии. — В сб.: Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций. — Екатеринбург: Изд. ИМАШ УрО РАН, 2016. С. 121.

25. Gorkunov E. S., Zadvorkin S. M., and Goruleva L. S. Correlation of residual stresses with magnetic properties of Armco iron / AIP Conference Proceedings 2053,030022 (2018).

26. Сандомирский С. Г. Корреляционные зависимости между механическими свойствами и магнитным параметром стали 40х / Механика машин, механизмов и материалов. 2019. ¹ 3(48). С. 43 – 50.

27. Zakharov V., Bezlyudko G., Solomakha R., Aman A. Monitoring of Fatigue and Stress-Strain State of Structures and Equipment with New Magnetic Transducer / WCNDT 2016, Book of Abstracts. I1. P. 1 – 4.

28. Xin W., Ding K., Lv Q. Theory and Experimental Study on Magnetic Monitoring of Steel Structure Fatigue Damage Based on Different Exciting Current / 7th Asia-Pacific Workshop on Structural Health Monitoring. 2018. https://www.ndt.net/article/apwshm2018/papers/94.pdf (дата доступа 26 ноября 2019).

29. Нехотящий В. А., Палиенко А. Л., Гопкало А. П. Оценка деградации стали 08Х18Н9 по кинетике коэрцитивной силы / В мире неразрушающего контроля 2015. Т. 18. ¹ 4. С. 14 – 16.

30. Piotrowski L., Chmielewski M., Kowalewski Z. The Dominant Influence of Plastic Deformation Induced Residual Stress on the Barkhausen Effect Signal in Martensitic Steels/ Journal of Nondestruct Evaluation. 2017. N 36. DOI: 10.1007/s10921- 016-0389-x.

31. Загидулин Р. В., Загидулин Т. Р., Мардамшин В. Р., Бакиев Т. А. К вопросу контроля сложного напряженного состояния металла стальных труб. Расчет напряженности поля остаточной намагниченности при сложном сопротивлении металла / Нефтегазовое дело. 2019. Т. 17. № 1. С. 91 – 98. DOI: 10.17122/ngdelo-2019-1-91-98.

32. Загидулин Р. В., Загидулин Т. Р., Осипов К. О. Исследование влияния структуры и элементного состава сплава на результаты магнитного контроля напряженного состояния металла / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 7. С. 55 – 61. DOI: 10.26896/1028-6861-2018- 84-7-55-61.

33. Загидулин Р. В., Загидулин Т. Р., Аминев А. Ф., Осипов К. О. К вопросу непрерывного магнитного контроля напряженно-деформированного состояния металла по напряженности поля остаточной намагниченности / Нефтегазовое дело. 2017. Т. 15. № 1. С. 169 – 174.

34. Загидулин Т. Р. Исследование и разработка метода локального магнитного контроля напряженно-деформированного состояния металла элементов корпусного оборудования и металлоконструкций: дис. ... канд. техн. наук. — Уфа, 2015. — 134 с.