Spośród metod NDT wykorzystujących pole magnetyczne powstałe wokół elementów konstrukcyjnych ze stali ferroma- gnetycznych wyróżnia się zaproponowana stosunkowo niedaw-no i intensywnie promowana metodologia MPM (Magnetycznej Pamięci Metali). Ponieważ spotkać można jej zastosowania do urządzeń związanych z energetyką [1,2], zasługuje na uważną analizę podstaw fizycznych i faktycznego zakresu
stosowalno-1)
Dr inż. Marek Augustyniak od 10 lat wykonuje wielodyscyplinarne analizy Me- todami Elementów Skończonych dla odbiorców przemysłowych jako konsul-tant, a następnie kierownik badań i rozwoju w polskiej firmie usługowej DES ART Sp. z o.o. z siedzibą główną w Gdyni. Prowadzi liczne szkolenia z me-chanicznych, cieplnych i elektromagnetycznych symulacji komputerowych (CAE). Absolwent inżynierskiej politechniki (Grande Ecole) INSA de Lyon, oraz Politechniki Gdańskiej. Jako wykładowca na wydziale Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej prowadzi badania podstawowe nad elektro-magne-tycznymi metodami diagnozowania stanu materiału instalacji energetycznych. e-mail: maugustyniak@desart.com.pl oraz maugustyniak@mif.pg.gda.pl 2) Mgr inż. Zbigniew Usarek jest doktorantem na Wydziale Fizyki Technicznej i Ma- tematyki Stosowanej Politechniki Gdańskiej. W swojej pracy badawczej łączy po- miary elektromagnetyczne (głównie magnetycznego pola rozproszonego) z mo-delowaniem w programach ANSYS i FARADAY. e-mail: zusarek@mif.pg.gda.pl 3)
Dr hab. Bolesław Augustyniak prof. nadzw. PG od wielu lat pracuje na Wy-dziale Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej Politechniki Gdańskiej. Jest kierownikiem zespołu badawczego, który zajmuje się opracowywaniem i rozwijaniem elektromagnetycznych technik badań nieniszczących elemen- tów konstrukcyjnych. Badania te mają na celu głównie określenie zmian w mi-krostrukturze stali eksploatowanych w energetyce (z wykorzystaniem efektu emisji magnetoakustycznej dla stali ferrytycznych i metody prądów wirowych dla stali austenitycznych) oraz poziomu naprężeń własnych w materiałach ferromagnetycznych (z wykorzystaniem polowego efektu Barkhausena). Ze-spół doskonali metodę detekcji nieciągłości materiałowych z wykorzystaniem efektu magnetycznego pola rozproszonego oraz metodę wyznaczania mikro-naprężeń z wykorzystaniem mechanicznego efektu Barkhausena. Opraco-wane techniki badawcze były weryfikowane w badaniach wykonywanych na szeregu instalacjach w Polsce i za granicą (stany Zjednoczone, Anglia). Aktu-alnie przewodniczy Konsorcjum, które realizuje projekt PBS1/A9/14/2012 pt. „Opracowanie magnetycznej metody oceny stanu naprężeń w materiałach konstrukcyjnych zwłaszcza anizotropowych”. Jest autorem i współautorem około 200 publikacji naukowo-technicznych oraz fragmentów monografii do-tyczących NDT. e-mail: bolek@mif.pg.gda.pl
ści. W postulowanej przez Dubova i sformułowanej w normie ISO 24497 [3] metodyce zasadnicze znaczenie ma interpretacja stosunkowo prostego sygnału lub jego pochodnej w celu roz-poznania stanu naprężeń i mikrostruktury badanego elementu konstrukcyjnego. Interakcja głównych czynników, jakie wchodzą w grę w warunkach pomiaru in-situ, przedstawiona jest szkico-wo na rysunku 1. Szczegółowa dyskusja praktycznych aspektów pomiaru i jego ograniczeń znajduje się w [4].
Marek Augustyniak
1)Politechnika Gdańska, Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej DES ART Sp. z o.o.
Zbigniew Usarek
2), Bolesław Augustyniak
3)Politechnika Gdańska, Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej
Hierarchia czynników wpływu w diagnostyce komponentów
stalowych metodą statycznego pola rozproszonego
Hierarchy of influence factors in diagnostics
of steel components using static stray field
Rys. 1. Schemat zależności głównych czynników wpływających na pomiar statycznego wycieku pola
Zmiana naprężeń GEOMETRIA Zmiana namagnesowania (przyrost i/lub redystrybucja) Zmiana efektywnej przenikalności magnetycznej Zmiana μ-struktury Uplastycznienie, pełzanie i in. Liczni autorzy wskazują na niedobór badań podstawowych związanych z diagnostyką NDT opartą na pomiarze pola rozpro-szonego. Przedstawiony w artykule eksperyment i jego odwzoro-wanie modelowe mają na celu zbadanie i rozdzielenie głównych czynników wpływających istotnie na sygnał.
Eksperyment
Modelowanie MES opisane w artykule odwołuje się do dwóch serii eksperymentów, nazywanych dalej „E1” i „E2”. Pierwszy z nich został przeprowadzony przez M. Roskosza i M. Bieńka, a jego wyniki opublikowane w [5] wraz z ważną
praktycznie, ale budzącą zastrzeżenia interpretacją. W eks-perymencie „E1” dokonywano pomiaru dwóch składowych pola magnetycznego bezpośrednio przy powierzchni płaskiej próbki z obszarem przewężenia. Postulowano monotoniczną, a więc wysoce użyteczną zależność maksymalnego gradientu pola magnetycznego od lokalnych naprężeń. Nie zostały przy tym przeprowadzone rozważania magnetostatyczne ani w for-mie oszacowań jakościowych, ani ilościowych (analitycznych lub numerycznych). Należy zaznaczyć, że eksperyment „E1” Roskosza i Bieńka dotyczy próbki ze stali S235 rozciągniętej powyżej granicy sprężystości, a następnie uwolnionej od ob-ciążeń zewnętrznych.
W celu rozstrzygnięcia wątpliwości związanych z inter-pretacją wyników doświadczenia „E1”, autorzy niniejszego artykułu przeprowadzili własne pomiary – „E2”. Próbka o geo-metrii bardzo zbliżonej do „E1”, wykonana z tego samego materiału (stal konstrukcyjna S235), była umieszczana w kon-trolowanym zewnętrznym polu magnetycznym lub polu ziem- skim. W przeciwieństwie do eksperymentu „E1” nie wprowa-dzono naprężeń, ani nie umieszczano materiału w uchwytach maszyny rozciągającej.
Struktura modelu
Model MES 3D próbki posiada wymiary geometryczne zgod-ne z eksperymentalnymi. Próbka umieszczona jest w przestrze-ni elementów powietrznych, w której panuje znamionowe pole magnetyczne o indukcji 40 μT (natężeniu ok. 30 A/m), typowej dla pola ziemskiego. Obecność ferromagnetyka zaburza lokalnie tę wartość, zgodnie z magnetostatycznymi prawami Maxwella: prawem Gaussa oraz prawem Ampere’a. Zależności te są ze-stawiane przez program w postać macierzową i rozwiązywane algorytmem typu Sparse Direct. Choć w modelu wyodrębnione są cztery uchwyty maszyny rozciągającej, w opisywanych symu-lacjach są one niekatwyne i wykazują magnetyczne parametry nieodróżniające się od powietrza. Wewnątrz próbki przyjmowane są określone rozkłady współczynników magnetycznych, miano- wicie indukcji resztkowej (remanencji) oraz efektywnej przenikal-ności magnetycznej. Wspólnie dają one możliwość zgrubnego statycznego odwzorowania obszarów o zróżnicowanych pętlach histerezy. Podpodział modelu na elementy skończone zobrazo-wany jest na rysunku 3. W newralgicznym rejonie modelu użyta jest regularna siatka 3D, ułożona warstwami o stopniowo zwięk-szającej się grubości.
Dobór danych materiałowych i sposób modelowania remanencji/koercji
Przeprowadzone wstępne obliczenia zakładały brak zna-czącego namagnesowania resztkowego i miały na celu spraw-dzenie, jakie pola przypowierzchniowe można zaobserwować dla para- i ferromagnetyków w polu ziemskim. Badano zmien-ność pola wzdłuż osi próbki, dla stopniowo zwiększającej się, jednorodnej przenikalności względnej materiału. Przyjęto dane geometryczne identyczne z eksperymentalnymi.
Rys. 2. Wymiary geometryczne próbki referencyjnej; ukazana jest jedna połowa, druga stanowi symetryczne odbicie; grubość blachy jest stała, równa 2 mm Rys. 3. Model MES próbki referencyjnej; liczby określają przyjęte wartości przenikalności magnetycznej; szary kolor – umowne zamodelowanie uchwytów maszyny rozciągającej, biały kolor – powietrze KieruneK obciążania linia pomiaru a = 50 mm b = 30 mm r = 5 mm a B r 0 Ht, x 60 Hn, z Ht, y Z, n Y, t
Modelowanie Metodą
Elementów Skończonych
W celu dokonania szczegółowej interpretacji wyników do-świadczalnych posłużono się magnetycznym modelowaniem Metodą Elementów Skończonych, zaimplementowaną w progra-mie ANSYS.Rys. 4. Wyciek pola (składowa styczna H) wzdłuż osi próbki w funkcji jednorodnej liniowej przenikalności magnetycznej,
w zakresie od 1 do 10 000
Stwierdzono nietrywialną, niemonotoniczną zależność maksimum wycieku pola od przenikalności magnetycznej. Bez-względne wartości natężenia pola są zdecydowanie niższe od obserwowanych w eksperymencie i praktycznie nie przekra-czają poziomu tła, czyli natężenia pola ziemskiego. Uzyskane wyniki prowadzą do wniosku, że doświadczalnie obserwowa-ne natężenia pola magnetycznego rzędu ±100 A/m muszą wynikać z powstania relatywnie wysokiego namagnesowania resztkowego (remanencji) wewnątrz próbki. Można przy tym postulować dwa mechanizmy. Pierwszym jest wytwarzanie
położenie punktu pomiarowego, m
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 Ht, a /m μ = 100 μ = 101 μ = 102 μ = 103 μ = 104 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
trwałej magnetyzacji przed oddziaływanie mechaniczne, czyli efekt Villari dla materiału o niezerowym polu koercji. Drugim, współgrającym czynnikiem jest umieszczenie rozciąganej prób-ki w ferromagnetycznych uchwytach, które zdają się funkcjo-nować jak magnesy trwałe i redukować geometryczny czynnik demagnetyzacji.
Możliwe jest przybliżone ilościowe oszacowanie poziomu indukcji resztkowej (remanencji) badanych eksperymentalnie próbek na podstawie serii analiz MES próbek o zmiennym podmagnesowaniu. Dopasowanie wsteczne wskazuje na po-ziom remanencji zbliżony do 0,2 T. Modelowanie remanencji jest możliwe w programie ANSYS w sposób uproszczony, ale w rozważanym przypadku wystarczający. Algorytm wymaga wprowadzenia stopnia namagnesowania „MG” [A/m], mające- go sens fizyczny pola koercji. Skutkuje on efektywnie przesu-nięciem charakterystyki B(H) wzdłuż osi poziomej o zadaną wartość. Jednocześnie zachowany jest kształt charakterystyki B(H), a w szczególności jej nachylenie początkowe, odpowia-dające maksimum przenikalności magnetycznej materiału. W ten sposób uzyskuje się półpętlę histerezy, prawidłowo od-wzorowującą pola statyczne lub wolnozmienne monotonicz-nie. W rozważanym przypadku łatwo obliczyć, że uzyskanie remanencji 0,2 T przy liniowej przenikalności względnej ~1000 wymaga zadania namagnesowanie MG ~200 A/m. Próbka wy-kazuje wtedy: a) indukcję wewnętrzną rzędu 0,2 T, jeśli pole zewnętrz- ne jest nieobecne (cewki Helmholtza używane w eks- perymencie „E2” umożliwiają niwelowanie pola ziem-skiego),
b1,b2) indukcję wewnętrzną rzędu 0,25 T lub 0,15 T w polu ziemskim stycznym do osi próbki (różnica bierze się z dwóch możliwych wzajemnych orientacji zwrotów MG i pola ziemskiego, prowadzących do dodawania się lub odejmowania ich wpływów),
c) indukcję wewnętrzną bliską zera w polu zewnętrznym o natężeniu 200 A/m i zwrocie przeciwnym do zwrotu wektora namagnesowania.
Punkty a), b) oraz c) zaznaczone są na rysunku 5. Współczynnik kierunkowy (a ) powiązany jest z przenikalno-ścią magnetyczną wzorem:
a = μ
0μ
r(model liniowy, stała przenikalność względna)
a = μ
0dB(H)/dH
(model nieliniowy z dowolną monotoniczną charakterystyką B(H))
Dobór danych materiałowych (przenikalność, pole ko-ercji) dla materiału naprężonego lub uplastycznionego jest trudny. Parametry te charakteryzują się znacznym rozrzutem statystycznym. Zależą nie tylko od gatunku stali, lecz także od chwilowej indukcji pola zewnętrznego oraz historii obciążeń mechanicznych. Na podstawie literatury [6,7] stwierdzono, że dla stali konstrukcyjnej niskowęglowej przenikalność magne-tyczna materiału poddanego naprężeniom rzędu 55 MPa może zmniejszyć się o nie więcej niż 10%, zaś pole koercji analogicz-nie wzrasta. Wpływ uplastycznienia na poziomie ε ~30% jest znacznie większy. Do celów symulacji MES przyjęto dwukrotny spadek średniej przenikalności magnetycznej i wzrost pola ko-ercji o połowę. Rys. 5. Punkty charakterystyczne na bliskim H = 0 fragmencie półpętli histerezy Tabela 1 Opis wariantu modeli MES w badaniu hierarchii czynników wpływu Symbol przebiegu Krótki opis
PK5 Próbka jednorodnie podmagnesowana (remanencja 0.2T), o jednorodnej przenikalności magnetycznej względnej równej 1000 PK5 σ = 55 MPa Próbka podobna do PK5, za wyjątkiem lokalnej modyfikacji parametrów materiałowych w strefie zmiany przekroju: przenikalność obniżona o 10%, podmagnesowanie podwyższone o 10%; zmiany te reprezentują wpływ lokalnego pola naprężeń na poziomie 55 MPa PK5 ε = 30% Próbka podobna do PK5, za wyjątkiem modyfikacji parametrów materiałowych w całym fragmencie przewężonym: przenikalność obniżona o 50%, podmagnesowanie podwyższone o 50%; zmiany te odwzorowują strefę silnie uplastycznioną PK5 σ + ε Złożenie efektów zamodelowanych w PK5 σ=55MPa oraz PK5 ε=30%. Zewnętrzne fragmenty próbki (szeroki przekrój, daleko od strefy przejściowej) mają wciąż przenikalność względną równą 1000 i podmagnesowanie 0.2T PK15 Próbka różniąca się od PK5 szerokością fragmentów zewnętrznych (15 cm w miejsce wyjściowych 5 cm)
Korelacja obliczeń z eksperymentem i nowa interpretacja wyników
Oryginalny eksperyment Roskosza i Bieńka „E1” nie był przez jego wykonawców zestawiony z modelowaniem pola ma-gnetycznego. Ponadto jego warunki początkowe (w tym nama-gnesowanie próbki związane z umieszczeniem w ferromegna- tycznych uchwytach maszyny rozciągającej) pozostawały niedo-określone. Dla lepszego zrozumienia obserwowanej zmienności gradientu pola oraz w celu określenia hierarchii głównych czyn-ników wpływających na pomiary, przeprowadzono eksperyment uzupełniający, „E1”, a także serię analiz MES. W serii tej modu-lowane są zarówno parametry materiałowe jak i przewężenie geometryczne. Tak dobrana seria analiz pozwala na odwzorowa-nie uplastycznienia, naprężeń resztkowych, zmiennego stopnia przewężenia, a także ocenę ich relatywnego wpływu na wyciek pola magnetycznego. Początkowe, średnie namagnesowanie zostało zgrubnie ustalone na 200 A/m (0.2 T) przy liniowej prze-nikalności magnetycznej względnej równej 1000. Poszczególne przebiegi symulacyjne scharakteryzowane są w tabeli 1. -1000 -500 0 500 H, a/m b , T 0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 c) b2) a) b1)
Zestawienie wynikowych przypowierzchniowych natężeń pola magnetycznego oraz parametrów pomocniczych przedsta-wiono na rysunkach 6a-d.
Wykres 6a zawiera wyniki pomiarów własnych gradientu składowej stycznej (eksperyment „E2”) dla próbki bez naprężeń, w polu ziemskim. Na wykres doświadczalny nałożone są wyniki uzyskane z symulacji (wartość bezwzględna z pochodnej z rys. 4 (μ = 1000).
Wykres 6b ilustruje pomiary eksperymentalne „E1” [5] wraz z obliczoną MES krzywą zmienności naprężeń wzdłuż osi próbki.
Wykres 6c przedstawia symulację zmienności składowej stycznej wycieku pola, dla próbki podmagnesowanej jednorodnie (PK5) oraz wariantów uwzględniających strefowe zmiany parame- trów magnetycznych. Warto wyniki te porównać jakościowo z ry-sunkiem 4, przedstawiającym ten sam parametr, ale dla próbki niepodmagnesowanej; wyniki doświadczalne M. Roskosza (niepre-zentowane tutaj) potwierdzają jakościowo obserwowane trendy.
Wykres 6d prezentuje przetworzenie krzywych 6c – warto-ści bezwzględne gradientu składowej stycznej natężenia pola H w odległości 1 mm od powierzchni próbki.
Otrzymane w obliczeniach przebiegi przypowierzchniowej składowej normalnej i stycznej pola są zadowalająco zgodne z eksperymentem, zarówno w ujęciu jakościowym jak i ilościo- wym. Obserwuje się, że najmniejszy wpływ na wielkość wycie-ku ma przyjęcie pola naprężeń resztkowych w obszarze zmia-ny przekroju. Zdecydowanie większy wpływ ma odwzorowanie uplastycznienia na wąskim fragmencie próbki. Stosunkowo największą zmianę wycieku, w stosunku do próbki odniesienia, obserwuje się przy znacznym zwiększeniu stopnia przewężenia z 5cm:3cm na 15cm:3cm.
Zgodność obliczonych i zmierzonych gradientów składo-wej stycznej jest jakościowo dobra. Kluczowe pytanie dotyczy interpretacji dwóch silnych maksimów obserwowanych na wy-kresie eksperymentalnym. W reinterpretowanej pracy [5] gra-dienty składowych skorelowano z naprężeniami resztkowymi. Modelowanie sugeruje jednak, że w grę wchodzi nakładanie się aż trzech efektów: geometrycznego, mikrostrukturalnego oraz naprężeniowego.
Wykres słupkowy (rys. 7) ilustruje ich hierarchię, odnosząc amplitudę próbki odniesienia do przyrostu amplitudy związanego z naprężeniami oraz przyrostu amplitudy wynikającego z upla-stycznienia.
Fakt przemiany mikrostrukturalnej obszaru uplastycznione-go generuje gradienty pola jakościowo i ilościowo porównywalne z efektem geometrycznym. Zdecydowanie słabszy wpływ ma pole stosunkowo niskich i zlokalizowanych naprężeń. Podobień- stwo efektu geometrycznego i mikrostrukturalnego staje się zro-zumiałe, jeśli rozumować kategoriami obwodu magnetycznego. Przewężenie w przybliżeniu dwukrotne powoduje zwiększenie reluktancji magnetycznej równe temu, jakie powoduje dwukrotny spadek efektywnej przenikalności magnetycznej.
Analiza indeksu magnetycznego
Symulacja komputerowa pozwoliła na zbadanie licznych konfiguracji materiałowo-geometrycznych próbki jednorodnej, o geometrii zgodnej z eksperymentalną. Celowe wydaje się odniesienie do uzyskanych wyników normy dot. Magnetycznej Rys. 6d. Gradient składowej stycznej wycieku pola
(symulacja, próbka podmagnesowana) Rys. 6a. Pomiar własny („E2”) wartości bezwzględnej gradientu składowej stycznej dla próbki bez magnetyzacji resztkowej, bez naprężeń, w polu ziemskim, oraz krzywa obliczona MES Rys. 6b. Reinterpretowane pomiary „E1” [5]; Wartości bezwzględne gradientu składowej stycznej H wraz z krzywą zmienności naprężeń wzdłuż osi próbki (obliczenia MES) Rys. 6c. Składowa styczna wycieku pola (symulacja, próbka podmagnesowana)
położenie punktu pomiarowego, mm 0 50 100 150 200 a bs. grad H (styczna), a /m/mm 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 dHt/dx [a/m/mm] Eksp."E2" dHt/dx [a/m/mm] Symulacja mu=1000 mG=0
położenie punktu pomiarowego, mm
a bs. grad H (styczna), a /m/mm 16 12 8 4 0 60 40 20 0 σ, mp a σeqv dH/dy 0 40 80 120 160 200
położenie punktu pomiarowego, mm 0 50 100 150 200 pK5 pK5. σ=55mpa pK5.ε=30% pK5.σ+ε pK15 H (styczna), a /m 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20
położenie punktu pomiarowego, mm 0 50 100 150 200 pK5 pK5. σ=55mpa pK5.ε=30% pK5.σ+ε pK15 a bs. grad H (styczna), a /m/mm 6 5 4 3 2 1 0
Pamięci Metali [3]. W szczególności zasadne jest obliczenie tzw. Indeksu Magnetycznego, zdefiniowanego przez w.w. normę jako:
W powyższym wzorze symbol „med.” oznacza średnią wartość w arbitralnie określonym obszarze pomiarowym. Na ry- sunku 7 zestawione są obliczone wartości Indeksu Magnetycz- nego dla czterech wybranych konfiguracji materiałowo-geome-trycznych. Próbki charakteryzują się bardzo zróżnicowanymi przenikalnościami magnetycznymi oraz skrajnie różnymi polami koercji. Weryfikowany jest także wpływ zwarcia obwodu magne-tycznego np. rdzeniem ze stali transformatorowej.
Zbadane były kolejno:
• próbka A – o przenikalności magnetycznej równej 1000; • próbka B – umieszczona w zamkniętym obwodzie magnetycznym; •
próbka C – charakteryzująca się wysokim polem koercji rów-nym 1000 A/m;
• próbka D – o przenikalności magnetycznej zredukowanej do 400. W przedstawionych, wybranych konfiguracjach materiało-wo-geometrycznych, wartości Indeksu Magnetycznego dla da-nej składowej pola różnią się od siebie w nieznacznym zakresie. Trudno jest więc w praktyce odróżnić np. próbki o zwiększonej koercji od materiału o zmniejszonej przenikalności magnetycz-nej. Co więcej, średni indeks magnetyczny różni się istotnie dla składowej stycznej i normalnej. Przyjęcie wartości progowej na poziomie 2,7, typowym w przykładach z praktyki przemysłowej MPM [8], prowadzi w tym wypadku do sprzecznych wniosków. Obszar badany nie wykazuje nieprawidłowości, jeśli przyjąć wskazania ze składowej pionowej (Hn), natomiast przekracza wartość alarmową, gdy bazuje się na składowej stycznej (Ht).
Podsumowanie i wnioski
Na podstawie wykonanych eksperymentów i magnetyczne-go modelowania MES stwierdza się, co następuje:
• pierwotna interpretacja przyczyn powstawania gradientu pola magnetycznego jest błędna,
• relatywnie wysokie wielkości grad H, rzędu 10 A/m/mm, nie mogą wynikać z oddziaływania pola ziemskiego, lecz zo-stały spowodowane niekontrolowanym namagnesowaniem próbki w uchwytach maszyny rozciągającej,
• efekt dwóch maksimów grad H występuje wyraźnie, mimo że nie występują w próbce naprężenia (eksperyment „E2”); fakt ten podważa hipotezę prostej i użytecznej korelacji tego parametru magnetycznego z lokalnym stanem naprężeń • naprężenia lokalne na poziomie 50 MPa i związana z nimi
zmiana względnej przenikalności magnetycznej przyczynia-ją się jedynie w niewielkim stopniu do powstawania efektu dwóch maksimów grad H. Decydujący wpływ mają nato-miast zjawiska nieuwzględniane w interpretacji pierwotnej: przewężenie geometryczne oraz skokowy wzrost reluktancji w związku z uplastycznieniem i zmniejszeniem przenikalno-ści środkowej częprzenikalno-ści próbki.
Przedstawiona korelacja eksperymentu i modelowania sugeruje, że efekt geometryczny (tu: przewężenie próbki) po-siada istotny wpływ na charakter wycieku pola. Jednocześnie stwierdza się znaczący jakościowo i ilościowo wpływ strefy uplastycznienia. Z drugiej strony, wbrew pierwotnej interpre- tacji zamieszczonej w [5], wpływ lokalnych naprężeń resztko-wych na poziomie ok. 50 MPa jest słaby. Wspomniane efekty, współistniejące w wielu realnych elementach konstrukcyj-nych, nie są możliwe do odseparowania stosując istniejącą metodykę MPM.
Z magnetostatycznej postaci równań Maxwella wynika, że na styku magnetycznie odmiennych materiałów może powstać „wyciek” strumienia. Jest to podstawa, ale równocześnie jedno z istotnych ograniczeń defektoskopii typu MPM, gdyż wykryta być może jedynie granica między dwoma obszarami, natomiast znaczna, jednorodna anomalia może pozostać niewykryta.
Przedstawiony w artykule eksperyment potwierdza to spostrzeżenie. Cały obszar przewężenia, jednorodnie upla-styczniony, wykazuje niecharakterystyczną zmienność mie-rzonego przy powierzchni natężenia pola. Stosując istniejącą metodykę MPM występuje ryzyko nieodróżnienia elementu nienaprężonego od jednorodnego obszaru o silnym wytęże-niu oraz znacznej degradacji mikrostrukturalnej. Jednocześnie w niesprzyjającej konfiguracji geometryczno-materiałowej ist-nieje możliwość zaniku wycieku pola na granicy dwóch róż-nych magnetycznie obszarów, co prowadzi do przeoczenia potencjalnie groźnej wady.
Na koniec należy zauważyć, że kluczowy element metodyki MPM, jakim jest wyznaczanie indeksu magnetycznego „m” bu-dzi wątpliwości zarówno w świetle badań eksperymentalnych [9] jak i modelowania Metodą Elementów Skończonych. Materiały o różnym stopniu degradacji, w różnej konfiguracji geometrycz-nej, mogą generować jednakowy indeks. Jednocześnie parametr ten, wyznaczany dla konkretnej próbki według składowej stycz-nej, a następnie normalnej pola, może różnić się znacznie, co nie pozwala na jednoznaczną konkluzję na temat stanu zużycia danego elementu konstrukcyjnego.
Rys. 7. Przyczynek poszczególnych efektów do całkowitej amplitudy stycznej składowej wycieku pola
Rys. 8. Zestawienie Indeksów Magnetycznych „m” dla wybranych konfiguracji materiałowo-geometrycznych 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Ht Hn m = 2,7 a B C D indeks magnetyczny "m" 2,5 2 1,5 1 0,5 0 max grad. Hn, a /m/mm Zmiana prZEKroJu
(5 cm : 3 cm) uplaSTYcZniEniE(≈ 30 %) naprĘżEniaσ ≈ 55 mpa
m =
(
dH / dx)
maxPrzedstawione wyniki stawiają pod znakiem zapytania fun-damentalne założenia metodyki NDT, postulującej możliwość jakościowej i ilościowej oceny stanów naprężeń konstrukcji tech- nicznych z gradientu wycieku pola magnetycznego. Pojęcie „ma-gnetycznej pamięci metalu” zostało utworzone i wypromowane bez uzasadnienia i bez należytych badań podstawowych. Należy stwierdzić, że nie wnosi ono niczego nowego w stosunku do za-gadnień magnetycznego pola rozproszonego, dzieląc inherentne ograniczenia związane z tym tematem.
PIśMIENNICTWO
[1] Dubov A.A., A technique for monitoring the heating surface tu-bes of steam and hot-water boilers using the magnetic memory of metals, Thermal Engineering (English Translation of Teplo-energetika) 45 (1998) 59-63.
[2] Iordache V.E., Hug E, Buiron N., Magnetic behaviour versus tensile deformation mechanisms in a non-oriented Fe-(3 wt%)Si steel, Mater. Sci. Eng . A 2003; 359:62–74.
[3] BS ISO 24497-2:2007, Nondestructive testing - Metal magnetic memory - Part 2: General Requirements
[4] Augustyniak M., Krytyczny przegląd założeń metody badań nie-
niszczących opartej na „magnetycznej pamięci metalu”, Energe-tyka 2011, Zeszyt Tematyczny nr XXII.
[5] Roskosz M., Bieniek M., Evaluation of residual stress in fer-romagnetic steels based on residual magnetic field measure-ments, NDT&E International 45 (2012) 55-62. [6] Anglada-Rivera J. et al, Magnetic Barkhausen Noise and hyste- resis loopin commercial carbon steel: influence of applied tensi-le stress and grain size, JMMM 231 (2001) 299-306. [7] Żurek Z.H., Magnetic contactless detection of stress distribution and assembly defects in constructional steel element, NDT&E International 38 (2005) 589-595.
[8] Dubov A., Kawka A., Juraszek J., Application of the metal magnetic memory method for investigation and analysis of stressed states of hoisting mine structure bearing rods, Proc. ECNDT 2010
[9] Roskosz M., Bieniek M., Analysis of the methodology of the as-sessment of the technical state of a component in the method of metal magnetic memory testing, Proceedings Defektoskopie 2010/ NDE for Safety, 229-236.
Jacek Malko
Politechnika Wrocławska
Dekalog trendów rozwojowych energetyki USA
The Decalogue of the USA power industry development trends
Przez przeszło stulecie misją energetyki było budowanie i eksploatacja niezawodnego, dostępnego i efektywnego syste-mu energii elektrycznej. Jednak ostanie dziesięciolecia były dla krajów rozwiniętych czasem skupienia się na wzroście efektyw- ności eksploatacyjnej, zaś kraje rozwijającej się ekonomiki czy-niły wysiłki mające na celu przyciągnięcia kapitału dla realizacji projektów w energetyce. Zmieniająca się rola i architektura ryn-ków, rozwój nowych technologii i rosnące dążenie społeczeństw do opanowania emisji antropogennych powoduje powstanie no- wych priorytetów rozwoju. Nowe możliwości działań w tych kie-runkach wynikają z rozwoju nowoczesnej energetyki, szerokiego rozpowszechniania narzędzi software’owych oraz niskokoszto-wych technologii komunikacyjnych.
Rewolucja łupkowa w USA i Kanadzie stworzyła warunki do radykalnej zmiany „energy mix” i zwrotu od technologii wę-glowych do gazowych. Silnie rozpowszechniły się technologie
wiatrowe i solarne, stwarzając nowe możliwości i wyzwania. Po-stęp w zakresie magazynowania energii został pobudzany przez energoelektronikę konsumencką oraz umożliwił rozwój pojazdów elektrycznych i hybrydowych. Równocześnie zakwestionowano zdolność do zachowania parametrów przez starzejący się ma-jątek sektora, co znalazło swe odbicie w cząstkowych i bardziej rozległych awariach o zasięgu systemowym, wymuszających z kolei podstawowe inwestycje w celu odbudowania silniejszej, bardziej odpornej na zakłócenia i bardziej zrównoważonej infra-struktury wytwórczej i sieciowej.
Dziesięć kluczowych dylematów
Współczesny system elektroenergetyczny zarządza inte-rakcjami pomiędzy mnogością składników majątku, elementów mobilnych i celami interesariuszy. Polityki o zasięgu lokalnym, re-gionalnym (stanowym) i wspólnotowym (federalnym), powstanie
