Метод магнитной памяти металла

Следует отметить, что в настоящее время на заводах  машиностроения, как в России, так  и за рубежом, отсутствует 100% контроль качества продукции на структурную  неоднородность. По статистике известно, что примерно до 20% новой продукции (трубы, рельсы, валы и т.д.) приходит в эксплуатацию с недопустимыми дефектами металла. Использование эффекта магнитной памяти металла при контроле качества продукции на заводах-изготовителях позволит выполнять экспресс-сортировку изделий и не допускать в эксплуатацию изделия с дефектами металла и технологическими дефектами изготовления. Установки и приборно-компьютерные комплексы, использующие при контроле эффект магнитной памяти металла, значительно проще и дешевле по сравнению с существующими установками на основе ультразвука или установками, использующими искусственную намагниченность. 

В настоящее  время магнитные методы НК, применяемые  на заводах-изготовителях, используют искусственную намагниченность  изделий. При этом естественную намагниченность (магнитную память металла - наиболее ценную информацию!) удаляют путём предварительного размагничивания. 

Что же сдерживает в настоящее время более широкое  внедрение в практику нового направления  в технической диагностике на основе использования эффекта магнитной  памяти металла? Здесь уместно привести слова немецкого поэта и мыслителя Иоганна Гете (28.08.1749г. – 22.03.1832г.): "Если кто-нибудь указывает на что-нибудь новое...люди противятся со всею силой; они ведут себя так, будто не слышат или не могут понять, говоря о новом взгляде с презрением, точно бы он не стоил труда, связанного с исследованием, или вообще внимания, и, таким образом, новой истине приходится ожидать долгое время, пока ей удастся проложить себе дорогу". 

Появление первых публикаций о методе магнитной памяти было встречено в научных кругах сначала снисходительным безразличием: "товарищ слегка заблудился". Однако, последующие результаты оригинальных экспериментальных исследований и практической диагностики с использованием метода МПМ, количество и качество которых быстро росло, также быстро вызывало в кругах ученых и специалистов, как в области магнетизма, так и в области диагностики, переход от снисходительного недоумения, к агрессивному негодованию. И это не мудрено: многие результаты, полученные методом магнитной памяти, противоречили устоявшимся в течение многих десятилетий представлениям о магнетизме и, в первую очередь, таким понятиям как магнитоупругость, намагничивание. Более того, необходимость объяснения многочисленных результатов практической диагностики с использованием эффекта магнитной памяти металла вскрыли "белые пятна", существующие до сих пор в теории магнетизма. Как оказалось, основные положения теории магнитных явлений в ферромагнитных материалах, были разработаны в 30-е - 40-е годы прошлого века без использования современных выводов и достижений квантовой механики и теорий дислокаций в металле. 

Рассмотрение  развития магнетизма в историческом аспекте позволило понять, что  сложившаяся теория магнетизма какие-то результаты ещё не могла использовать, а какие-то уже не "захотела". 

По этим причинам и остались без ответа такие вопросы  как:

с чего начинается и как развивается в объёме ферромагнетика процесс самонамагничивания;

что ограничивает рост доменов, каковы его размеры  при отсутствии внешних воздействий;

какова объёмная форма домена, связаны ли между  собой его габаритные размеры  и если да, то как;

как при условии  спонтанного самонамагничивания в  объёме ферромагнетика формируются  и группируются домены, существуют ли, на самом деле, "замыкающие" домены, как некие вспомогательные образования;

что, в действительности, представляют собой границы между  доменами, ведь квантовая физика доказала невозможность произвольного положения  в пространстве вектора магнитного момента атома в составе кристаллической  решетки, следовательно, гипотеза о постепенном плавном повороте вектора магнитного момента в переходном слое - междоменной границе неверна;

почему отсутствует  симметрия в процессах самонамагничивания при растяжении и сжатии поликристаллических  образцов из ферромагнетиков; 

почему, всё-таки, даже идеальный монокристалл ферромагнетика изначально проявляет магнитную  анизотропию;

что физически  определяет величину остаточной намагниченности; 

каков критерий разделения магнитных полей на слабые и сильные;

влияет ли магнитное поле Земли на процесс самонамагничивания;

какова роль слабых магнитных полей на процесс  изменения намагниченности при  циклических нагрузках;

почему при  нагружении образцов их намагниченность  резко увеличивается при переходе в область пластических деформаций;

как связаны  намагниченность и доменная структура, определяющая её, с дислокациями и  их скоплениями;

почему в нагруженном  ферромагнетике возникают локальные  магнитные поля, ориентация которых  не связана с внешними магнитными полями и чем определяется их пространственная направленность;

зависит ли граница  между сильными и слабыми магнитными полями состоянием среды (намагничиваемого материала). 

Таким образом, приходится констатировать, что, несмотря на большое количество полученных к  настоящему времени в теоретических и экспериментальных исследованиях результатов и выводов, развивающих и дополняющих основные положения построения доменной структуры, теорию доменной структуры нельзя признать завершенной. 

С целью поиска ответов на поставленные вопросы и объяснения явления магнитной памяти металла были выполнены теоретические и экспериментальные исследования, результаты которых отражены в книге Власова В.Т. и Дубова А.А. "Физические основы метода магнитной памяти металла" (М.: ЗАО "ТИССО", 2004, 424с.). В результате выполненных исследований удалось получить ответы на многие указанные вопросы. Показано, что в основе явления магнитной памяти металла лежит несколько физических эффектов. Кроме известного до сих пор магнитоупругого эффекта, выявлен новый, не изученный ранее эффект магнитопластики - процесса формирования собственного магнитного поля объекта из ферромагнитного материала в условиях пластической деформации. Прямое экспериментальное доказательство, подтверждающее значительное увеличение плотности дислокаций в зонах концентрации напряжений, было получено при испытании образцов на растяжение с использованием специализированных магнитометров и исследовании дислокационной структуры на электронном микроскопе. Изучены закономерности магнитомеханического эффекта, проявляющегося на макроуровне в объеме изделия. 

На основе анализа  экспериментальных исследований различных  промышленных объектов с использованием метода МПМ и анализа причин низкой эффективности существующих методов  контроля напряжений выявлены противоречия результатов диагностики сложившимся представлениям о характеристиках внутренних напряжений. 

Разработаны основы физической теории процесса "деформация-разрушение", которая позволит объективно оценивать  эффективность различных методов  контроля напряженно-деформированного состояния, расчетов на прочность и прогнозирование ресурса оборудования, дать научное обоснование норм допустимости дефектов и степени их опасности в НК и более эффективно решать другие задачи механики разрушений. 

Новое направление в технической диагностике на основе использования явления магнитной памяти металла, родившееся в России, развивается на практике и в теории более 25 лет. Метод и соответствующие приборы контроля используются более чем на 1000 предприятиях России. Кроме России метод получил распространение в 29 странах мира.

Физические  основы метода магнитной  памяти металла (метод  МПМ)

     Магнитная память металла - последействие, которое  проявляется в виде остаточной намагниченности  металла изделий и сварных  соединений, сформировавшейся в процессе их изготовления и охлаждения в слабом магнитном поле или в виде необратимого изменения намагниченности изделий в зонах концентрации напряжений и повреждений от рабочих нагрузок.

Метод магнитной  памяти металла - метод неразрушающего контроля, основанный на регистрации и анализе распределения собственных магнитных полей рассеяния (СМПР), возникающих на изделиях и оборудовании в зонах концентрации напряжений (ЗКН) и дефектов металла. При этом СМПР отображают необратимое изменение намагниченности в направлении действия максимальных напряжений от рабочих нагрузок, а также структурную и технологическую наследственность деталей и сварных соединений после их изготовления и охлаждения в слабом магнитном поле, как правило, в поле Земли. В методе МПМ используются естественная намагниченность и последействие, которое проявляется в виде магнитной памяти металла к фактическим деформациям и структурным изменениям в металле изделий и оборудования.

Физические  основы метода МПМ:

1. магнитоупругий эффект – изменение индукции в ферромагнетике, находящемся во внешнем магнитном поле под действием механических нагрузок;
2. магнитомеханический эффект – изменение вектора остаточной намагниченности ферромагнитного изделия в направлении действия максимальных напряжений иЮ соответственно, СМПР, измеряемого при контроле;
3. магнитопластика - эффект формирования доменов и доменных границ на скоплениях дислокаций в зонах концентрации напряжений;
4. эффект рассеяния магнитного поля структурными и механическими неоднородностями в условиях естественной намагниченности металла.

Магнитные параметры, используемые при контроле методом МПМ:

нормальная  и/или тангенциальная составляющая СМПР - Нр;

градиент  магнитного поля по длине (dНр/dx) или по базе между каналами измерений.

Методом МПМ определяют:

зоны  концентрации напряжений - основные источники  развития повреждений;

микро и  макро-дефекты на поверхности и  в глубинных слоях металла.

Методика  обследования

Старение  систем магистральных газонефтепроводов  выдвигает задачу обеспечения безопасности и надежности их функционирования в ряд важнейших государственных проблем. В настоящее время общая протяженность магистральных трубопроводов России превышает 300 тыс. км. При этом около 40% газопроводов и 60% нефтепроводов находится в эксплуатации более 20 лет.

Очевидно, что традиционный подход к поддержанию  работоспособности трубопроводов  путем проведения капитальных ремонтов отдельных участков труб со сплошной заменой изоляционного покрытия не может обеспечить надежность и  безопасность магистральных газонефтепроводов из-за их большой протяженности и резкоразличного состояния. Поэтому, основной стратегией обеспечения высокой надежности магистральных систем становится эксплуатация и ремонт "по фактическому состоянию", т. е. переход к выборочному "точечному" ремонту элементов и участков по результатам 100% диагностического обследования многокилометровых трубопроводов.

Предлагается  следующая концепция обеспечения  надежной и безопасной эксплуатации газонефтепроводов, находящихся в  длительной эксплуатации:

1. Анализ повреждений, результатов неразрушающего и разрушающего контроля металла и выполненных замен изношенных участков по имеющейся статистике эксплуатирующей организации.

2. 100% обследование всех участков газонефтепроводов с использованием современных методов и средств НК (внутритрубная диагностика, бесконтактная магнитометрическая диагностика, метод магнитной памяти металла, акустическая эмиссия), позволяющих выполнять раннюю диагностику повреждений и выявлять зоны концентрации напряжений (ЗКН) - основные источники развивающихся повреждений.

3. На участках газонефтепроводов с выявленными ЗКН после операции "шурфовка" дополнительно выполняется контроль традиционными средствами НК (УЗД, рентген, исследования механических свойств и структуры металла).

4. Для отдельных наиболее напряженных участков с ЗКН, оставляемых в эксплуатацию, делается поверочный расчет на прочность с учетом характера повреждений и износа металла трубопроводов.

5. 100% обследование арматуры с использованием метода магнитной памяти металла и других методов НК.

6. Обобщение результатов комплексного 100% обследования и разработка мероприятий по обеспечению надежности газонефтепроводов с составлением плана-графика замены физически изношенных участков труб, наиболее предрасположенных к повреждению. В основе предлагаемой концепции лежит оценка реального ресурса газонефтепроводов, так как такая оценка наиболее оптимально сочетает опыт эксплуатации (статистику бывших повреждений) и раннюю диагностику будущих повреждений с использованием современных методов. ЗАО «ДПТ» Метод магнитной памяти металла. Обзор методики и техники работ стр. Разработан измерительный комплекс  для бесконтактного магнитометрического обследования газонефтепроводов, расположенных под слоем грунта на глубине до 2 м. При движении оператора вдоль трассы со скоростью не менее 2 км/час определяются участки, работающие в наиболее напряженных условиях и предрасположенные к повреждениям. На этих участках делается шурфовка и дополнительный контроль с целью выявления конкретных дефектов.