Магнитные, электрические и электромагнитные методы

3.5.1. 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.3.9, а 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.3.9, 6).

Рис.3.9. Выявление дефектов по рассеиванию магнитного потока;

а - образование местного магнитного потока рассеивания у трещины;

б - влияние ориентировки дефекта;

1 - исследуемый элемент; 2 - трещина; 3 - силовые линии магнитного поля; 4 - местный магнитный поток рассеивания; 5 - дефект, ориентированный перпен­дикулярно магнитным 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 методявляется 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, или 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 её 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.3.10 схе­матически показан принцип действия одного из наиболее известных прибо­ров такого типа - дефектоскопа К.Х. Хренова и С.Т. 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.).

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.

3.5.2. 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.3.11 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.

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

3.5.3. 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.3.12.

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.

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 метод 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.

3.5.4. 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.3.13.

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.3.13. 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, 10 мм из оргстекла, дерева или другого диамагнетика. Диаметр арматуры будет соответствовать той из шкал, разность отсчетов по которой окажется равной именно 10 мм.

3.5.5. 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...10 мм, 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.