Разработка способов магнитного контроля и оценки технического состояния элементов протяжённых стальных конструкций

Актуальность работы связана с возрастанием требований к качеству кон-
троля, диагностики технологических процессов и технического состояния объек-
тов промышленности. Большой класс действующих объектов промышленности,
представляет собой протяжённые металлические конструкции, такие как, сталь-
ные рельсовые нити железнодорожных путей, трубопроводы, балки. Разработка
новых способов контроля и диагностики указанных объектов, является одним из
основных этапов работ, направленных на поддержание их в рабочем состоянии,
объективной оценки работоспособности и прогноза дальнейшей без аварийной
работы [1–81]. Анализ существующих видов неразрушающего контроля и оценки
технического состояния конструкций показывает ряд существенных недостатков:
ограниченное применение для контроля протяженных конструкций; затруднённая
оценка глубинных слоев металла для большинства видов контроля; требуется
подготовка контролируемой поверхности и объектов контроля; недостаточная ав-
томатизация применяемых видов контроля и диагностики [11–57]. Поперечное
сечение элементов протяжённых стальных конструкций, в большинстве случаев,
представляет собой геометрическую фигуру симметричную относительно одной
или более осей симметрии [11; 89]. Элементы протяжённых стальных конструк-
ций постоянно находятся в намагниченном состоянии [79–81]. Опираясь на ука-
занные конструктивные и физические свойства протяжённых стальных кон-
струкций, в дополнение к существующим способам и методам неразрушающего
контроля [11; 32; 33], в диссертации был разработан ряд новых способов магнит-
ного контроля и оценки технического состояния протяжённых стальных кон-
струкций, позволяющий проводить их автоматизацию с учётом особенностей
объектов контроля [109–124].
Целью диссертационной работы является разработка способов магнитного
контроля и оценки технического состояния элементов протяжённых стальных
конструкций, имеющих в поперечном сечении простую геометрическую фигуру
симметричную относительно одной или более осей симметрии.
Основными задачами исследования являются:
1. Анализ современного состояния контроля и оценки технического состо-
яния элементов протяжённых стальных конструкций; анализ видов неразрушаю-
щего контроля и методов оценки напряжённого состояния элементов протяжён-
ных стальных конструкций.
2. Разработка теоретических посылок, принципов и методов магнитного
контроля и оценки технического состояния элементов протяжённых стальных
конструкций с поперечным сечением в виде геометрической фигуры симметрич-
ной относительно одной или более осей симметрии.
3. На основе полученных в пункте 2 зависимостей (закономерностей) между
дефектами, структурными изменениями и механическим напряжением в попереч-
ном сечении контролируемого объекта, искажающими симметрию картины
внешнего магнитного поля поперечного сечения, и магнитной индукцией внешне-
го магнитного поля сечения, разработать новые способы магнитного контроля и
оценки технического состояния элементов протяжённых стальных конструкций.
4. Разработка блок-схемы автоматизации способов магнитного контроля и
оценки технического состояния элементов протяжённых стальных конструкций
на основе алгоритмов реализации способов.
Объектом исследования являются элементы протяжённых стальных кон-
струкций, имеющие поперечное сечение в виде простой геометрической фигуры
симметричной относительно одной или более осей симметрии, в процессе маг-
нитного контроля с целью оценки их технического состояния.
Предмет исследования – анализ и установление зависимостей между дефек-
тами, структурными изменениями и механическими напряжениями, искажающи-
ми симметрию картины внешнего магнитного поля поперечного сечения объекта
контроля, предварительно созданной симметричной относительно геометриче-
ской фигуры поперечного сечения, и магнитной индукцией внешнего магнитной
поля сечения.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что впервые
установлены и исследованы зависимости (закономерности), связанные с искаже-
нием картины внешнего магнитного поля поперечного сечения элемента, предва-
рительно созданного симметричным относительно геометрической фигуры попе-
речного сечения элемента, которые позволили идентифицировать дефекты, струк-
турные изменения и механические напряжения в однородном ферромагнитном
материале поперечных сечений контролируемого объекта:
1 – по отклонению следа нулевой магнитной индукции на боковой поверх-
ности элемента от своего расчётного следа определяются и оцениваются сечения
с дефектами, структурными изменениями и локальными механическими напря-
жениями;
2 – по разности абсолютных значений магнитной индукции в характерных
попарно симметричных точках геометрической фигуры поперечного сечения на
поверхности элемента определяются и оцениваются сечения с дефектами, струк-
турными изменениями и механическими напряжениями в материале сечения;
3 – при отсутствии дефектов и структурных изменений в материале сечения
элемента разность абсолютных значений магнитной индукции в характерных по-
парно симметричных точках сечения на поверхности элемента позволяет оценить
остаточные, действующие и результирующие изгибные напряжения в сечениях на
контролируемом участке элемента конструкции; следы плоскостей с равными
напряжениями на боковой поверхности объекта.
Теоретическая и практическая значимость диссертационной работы заклю-
чается: в установлении и исследовании зависимостей между дефектами, струк-
турными изменениями и механическими напряжениями в поперечном сечении
контролируемого объекта, искажающими симметрию картины внешнего магнит-
ного поля поперечного сечения, и магнитной индукцией внешнего магнитного
поля сечения; в разработке новых способов магнитного контроля и оценки техни-
ческого состояния элементов протяжённых стальных конструкций без их разбор-
ки и разрушения, позволяющих провести их автоматизацию. Практический ре-
зультат реализации разработанных способов магнитного контроля заключается в
возможности обеспечения оперативного выполнения процесса контроля и оценки
технического состояния элементов стальных конструкций, находящихся в работе
[109–124]. Перспективы дальнейшего развития темы видятся в адаптации разра-
ботанных способов магнитного контроля и оценки технического состояния эле-
ментов протяжённых стальных конструкций для выбранных объектов контроля,
включая их автоматизацию. Результаты диссертационной работы использованы в
практической деятельности Восточно-Сибирской железной дороги – филиала
ОАО «РЖД», Приложение А.
Методы исследования в диссертации базируются на методах неразрушаю-
щего контроля; теории магнитного поля и магнитных цепей; теории напряжённо-
деформированного состояния; математическом моделировании на основе метода
конечных элементов; теории автоматического управления; теории планирования и
реализации экспериментальных испытаний натурных образцов изделий [43–49;
65–84; 86; 87; 89–104].
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Закономерности магнитного поля симметричного поперечного сечения
контролируемого элемента протяжённого объекта, между отклонением следа ну-
левой магнитной индукции на боковой поверхности элемента от своего расчётно-
го следа, вызванного дефектами, структурными изменениями и (или) механиче-
скими напряжениями в ферромагнитном материале сечения.
2. Закономерности магнитного поля симметричного поперечного сечения
контролируемого элемента протяжённого объекта, между разностью абсолютных
значений магнитной индукции в характерных попарно симметричных точках гео-
метрической фигуры поперечного сечения на поверхности элемента и дефектами,
структурными изменениями и (или) механическими напряжениями в ферромаг-
нитном материале сечения.
3. Закономерности, устанавливающие связь (при отсутствии дефектов и
структурных изменений в материале поперечных сечений элемента) между раз-
ностью абсолютных значений магнитной индукции в характерных попарно сим-
метричных точках сечения на поверхности элемента и остаточными, действую-
щими и результирующими изгибными напряжениями в сечениях на контролиру-
емом участке элемента конструкции.
Достоверность и обоснованность научных результатов, полученных в дис-
сертации, базируются на математическом моделировании, на сравнении получен-
ных результатов с результатами экспериментов натурных испытаний, подтвер-
ждены шестью патентами на изобретение РФ.
Основные результаты проведённых исследований докладывались и обсуж-
дались на всероссийских с международным участием и региональных конферен-
циях: «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» в 2012 г., 2013 г., 2014
г., 2015 г., 2016 г. и 2017г. (г. Иркутск); «Проблемы проектирования, строитель-
ства, диагностики и технического содержания объектов железнодорожного транс-
порта» (г. Чита, 2013 г.).
По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе: 3 ста-
тьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ; 6 патентов на изобретение РФ. В ра-
ботах с соавторами соискателю принадлежит от 45% до 85% результатов. Личный
вклад автора заключается: в проведении натурных экспериментов и математиче-
ской обработке результатов экспериментов; в моделировании и анализе картин
магнитных полей и напряжений в поперечных сечениях объекта контроля; в уста-
новление закономерностей, связанных с искажением картин внешнего магнитного
поля поперечных сечений элементов протяжённых объектов контроля, вызванных
дефектами, структурными изменениями и (или) механическими напряжениями в
них, и магнитной индукцией внешнего магнитного поля поперечных сечений; в
разработке шести запатентованных способах магнитного контроля и диагностики
элементов конструкций, выполненных из ферромагнитного материала.
Диссертация включает в себя один том, состоящий из введения, четырёх
глав, заключения, списка литературы из 127 наименований, приложение. Общий
объём диссертации 148 страницы машинописного текста, в тексте содержится 82
рисунка и 6 таблиц.
В первой главе проведён анализ существующих видов контроля, диагности-
ки технического состояния элементов протяжённых стальных конструкций, мето-
дов дефектоскопии, методов оценки напряжённого состояния. Сравнение методов
контроля элементов протяжённых стальных конструкций показал выбор в пользу
магнитных методов с использованием постоянного магнитного поля. Разработка
способов магнитного контроля и оценки технического состояния протяжённых
стальных конструкций должна опираться на конструктивные, физические и экс-
плуатационные особенности объектов контроля и иметь возможность их автома-
тизации. Сформулирована задача разработки простых и эффективных способов
магнитного контроля и оценки технического состояния элементов протяжённых
стальных конструкций, позволяющих проводить их автоматизацию с учётом спе-
цифики объектов контроля.
Во второй главе рассмотрены: теоретические аспекты электромагнитного
поля и магнитных цепей, зависимость намагниченности ферромагнитного мате-
риала от упругих напряжений в изделиях, напряжённо-деформированное состоя-
ние элементов протяжённых стальных конструкций, моделирование картин внут-
ренних напряжений при изгибе и внешних магнитных полей поперечных сечений
элементов протяжённых стальных конструкций. Приведены основные принципы
разработки способов магнитного контроля и оценки технического состояния эле-
ментов протяжённых стальных конструкций, имеющих симметричное попереч-
ное сечение, выводы по главе.
В третьей главе на основе полученных закономерностей приводится разра-
ботка шести способов магнитного контроля и оценки технического состояния
элементов протяжённых стальных конструкций, имеющих поперечное сечение в
виде симметричной геометрической фигуры. Приводится структурная блок-схема,
позволяющая автоматизировать способы магнитного контроля и оценки техниче-
ского состояния элементов протяжённых стальных конструкций [112–132].
В четвёртой главе приведена реализация способов с помощью цифрового
моделирования на основе метода конечных элементов с помощью программных
продуктов MSC Maxwell и Nastran, экспериментов на образцах без дефектов и с
дефектами, эксперимента изгиба образца стальной балки прямоугольного сечения
на универсальном учебном комплексе по сопротивлению материалов [106–108;
111; 118–124].
В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.