Тема: РАЗРАБОТКА МЕТОДА КОНТРОЛЯ ЛОКАЛЬНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ КОРРОЗИОННЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ, ОБОРУДОВАНИЯ И СООРУЖЕНИЙ ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ ПЕТЛИ МАГНИТНОГО ГИСТЕРЕЗИСА

Направление приведенных в диссертационной работе исследований были сформированы моим научным руководителем, который ввел меня в научную деятельность еще на бакалавриате, выдающийся российский ученый, профессор, доктор физико-математических наук Новиков Виталий Федорович.
К большому сожалению 28 июня 2022 года на 85-м году жизни Виталий Федорович скончался. Большинство экспериментов и положений, отраженных в работе были сформулированы благодаря наставничеству Виталия Федоровича. В связи с требованием процедур ВАК РФ для завершения и оформления диссертационного исследования решением ученого совета ФГБОУ ВО «Тюменского индустриального университета» от 28 августа 2022 г. научным руководителем был назначен исполняющий обязанности заведующего кафедрой «Физика, методы контроля и диагностика», доцент, кандидат технических наук Муратов Камиль Рахимчанович.
Камиль Рахимчанович участвовал в выполнении некоторых экспериментов необходимых для завершения диссертации и является соавтором публикаций, напрямую связанных с диссертационной работой. Как и Виталий Федорович, Камиль Рахимчанович значительно повлиял на мое становление в научной сфере. Заслуги Новикова Виталия Федоровича в подготовке данной диссертации значительны и не оспоримы, однако по сложившимся обстоятельствам, этот выдающийся человек не может быть записан руководителем диссертационного исследования.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Физико-механические свойства стали зависят от различных факторов, включая тип кристаллической решетки, химический состав, взаимодействие элементов и наличие различных дефектов структуры. Локальная неоднородность химического состава и структуры стали может вызывать различия свойств в отдельных областях материала и влиять на надежность и долговечность изделия, изготовленного из него.
Случайный многокомпонентный характер нагрузок, действующих на стальные конструкции в реальных условиях эксплуатации, приводит к ускорению процесса разрушения материала. Этот процесс усугубляет локальная неоднородность свойств стали. Поэтому возникает необходимость в проведении периодического контроля свойств стальных материалов для обеспечения надёжной, безопасной и бесперебойной работы изготавливаемых из них конструкций и оборудования.
Поиск критериев контроля физико-механических свойств стали или особенностей её структурных изменений осуществляется уже долгое время. Для достижения цели могут применяться магнитные методы неразрушающего контроля. Однако у корреляционных связей между магнитными параметрами, физико-механическими свойствами и структурой стали обнаруживаются недостатки, которые затрудняют их использование в качестве контрольных параметров. Так, например, известные зависимости коэрцитивной силы, остаточной намагниченности могут быть применимы лишь для узкого спектра структурных состояний или отражать закономерности для небольшого набора разных марок стали. Вследствие этого в науке и практике актуализируется значительная потребность в универсальных приборных методах и методиках определения физико-механических свойств и структуры стали, что подтверждается большим количеством опубликованных исследований данной тематики.
Относительная простота измерения магнитных характеристик стали способствует широкому распространению магнитных методов в целях контроля структурного состояния и физико-механических свойств. В совокупности с математическими методами обработки экспериментальных данных, измерение магнитных свойств позволяет преодолеть ряд ограничений в ситуации применения магнитных методов в реальных условиях. Для повышения достоверности определения физико-механических свойств стали магнитными методами используют многопараметровый подход.
Степень разработанности темы исследования
Поиск приборных методов контроля механических и коррозионных свойств стали проводится на регулярной основе, что необходимо для проведения технического освидетельствования опасных производственных объектов. Основными методами контроля при этом являются разрушающие испытания, проводимые, в основном, в специализированных условиях. Необходимость проведения испытания в лабораторных условиях приводит к потребности в изготовлении специальных образцов установленной нормативно-технической документацией формы и размеров, а также к временным издержкам, связанным с особенностью проводимых испытаний и временем пробоподготовки. Именно по этим причинам по настоящий момент проводятся различные исследования, направленные на нахождение наиболее простого метода контроля механических и коррозионных свойств сталей, изделий и конструкций из них.
Возможность применения магнитных методов для контроля механических свойств исследовалась в работах В. В. Клюева, С. Г. Сандомирского, Э. С. Горкунова, В. А. Захарова, В. Н. Костина, В. Г. Кулеева, А. П. Ничипурука, В. Ф. Новикова и др. Кроме стандартных методов, основанных на измерении различных магнитных величин, в работах Н. Н. Зацепина, Г. М. Попова, П. М. Коваленко, Н. А. Потапова, М. А. Карамышева, Г. А. Сайфутдинова, Н. О. Гусак, Ю. Ф. Понамарева рассматривается применение высших гармонических составляющих ЭДС индукции, наводимой во вторичной катушке в качестве параметра контроля механических свойств стали.
В работе Н. П. Садовниковой предложен метод выделения высших гармоник в спектре петли магнитного гистерезиса, полученной при воздействии внешнего переменного магнитного поля определенной частоты на объект контроля. Подобный подход имеет недостаток, связанный с влиянием на регистрируемые величины вихревых токов.
В рассматриваемых работах изучаются методы определения механических свойств сталей, однако, кроме механических свойств, в условиях эксплуатации на работоспособность стального изделия влияет и его сопротивляемость процессам коррозии. Коррозионные повреждения стали ослабляют объект, снижая требуемые от него характеристики. Для контроля коррозионных свойств сталей применяются стандартные методы, основанные на разрушении объекта исследования или лабораторных образцов. Применение магнитных параметров в качестве критерия оценки коррозионных свойств стали рассматривались лишь в ограниченном перечне работ под авторством В. Ф. Новикова и В. А. Рышкова.
Проведенный анализ специальных источников показывает, что применение гармонического анализа относительно реальной квазистатической петли магнитного гистерезиса, полученной для стали в различных структурно-фазовых состояниях, для определения её механических и коррозионных свойств не производилось.
Целью работы является разработка магнитного метода контроля механических и коррозионных свойств стали на основе анализа поведения параметров гармонических составляющих, полученных по петле магнитного гистерезиса при вариациях химического, фазового и структурного состава стали.
Объектами исследования являются термообработанные образцы, изготовленные из различных марок сталей: 15ХСНД, Ст3, 09Г2С, ЭИ961, 45Х, 10ХСНДА и др.
Предметом исследования является установление корреляционной связи физико-механических и коррозионных свойств сталей с параметрами гармонических составляющих, полученными по петле магнитного гистерезиса.
Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать алгоритм обработки петли магнитного гистерезиса стали с возможностью извлечения отдельных параметров спектральных составляющих. Определить метрологические критерии и методические особенности предлагаемого алгоритма.
2. Установить технические и методические ограничения
разрабатываемого магнитного метода, связанные с влиянием формы петли магнитного гистерезиса и основных магнитных характеристик на их гармонические составляющие.
3. Сформулировать требования, предъявляемые к количественной оценке параметров контроля механических и коррозионных свойств сталей по петле магнитного гистерезиса.
4. Определить влияние структуры стали на её магнитные параметры, характеристики гармонического спектра и параметры, используемые в разрабатываемом магнитном методе контроля.
5. Установить корреляционные связи физико-механических и коррозионных свойств стали с характеристиками гармонических составляющих петли магнитного гистерезиса и параметрами, используемыми в разрабатываемом методе контроля.
Научная новизна работы
Научная новизна полученных в работе результатов состоит в следующем:
1. Разработан новый метод контроля механических и коррозионных свойств сталей, основанный на измерении и гармоническом анализе петли магнитного гистерезиса.
2. Разработан способ разложения петли магнитного гистерезиса в гармонический спектр, включающий ее преобразование в псевдовременной сигнал, с применением методов численного интегрирования. Установлено, что такой подход дает возможность получать наименьшее искажение гармонических составляющих измеряемых магнитных параметров, вызванное индуцируемыми вихревыми токами и дискретностью получаемых данных.
3. На примере модельной петли магнитного гистерезиса выявлен характер влияния величины магнитных параметров (коэрцитивной силы, остаточной индукции, индукции насыщения) на гармонический спектр петли гистерезиса, комплексный параметр контроля и погрешность расчёта гармонических составляющих.
4. Выполнен поиск критериев контроля физико-механических свойств и скорости коррозии материала по спектральным характеристикам петли магнитного гистерезиса. С помощью метода разделения диагнозов в пространстве признаков (в диагностическом пространстве) и метода группового учета аргументов обнаружены комплексные параметры, основанные на величине амплитуды нескольких гармонических составляющих, обладающие наибольшей чувствительностью к изменению механических и коррозионных свойств стали. Показана возможность применения комплексного параметра для определения скорости коррозии стали с удовлетворительной точностью в различных по составу агрессивных средах.
5. Установлены ограничения предлагаемого метода контроля стали, связанные со способом спектральной обработки исходного массива данных и способом регистрации петли магнитного гистерезиса. Сформулированы основные требования, предъявляемые к разрабатываемому методу контроля.
6. Создано программное обеспечение, которое в совокупности с измерительной системой и изложенными в работе требованиями позволит реализовать предлагаемый метод магнитного контроля физико-механических и коррозионных свойств сталей.
Теоретическая и практическая значимость результатов работы
Результаты, полученные в диссертационной работе, направлены на разработку нового метода магнитного неразрушающего контроля физикомеханических и коррозионных свойств сталей. Приведенные результаты исследований имеют значение для проведения организационно-технических мероприятий, выполняемых на объектах нефтегазовой, химической, металлургической промышленности в целях контроля состояния оборудования в пределах установленных норм.
Часть результатов использована на предприятии «Завод БКУ» - филиал ООО «Уралмаш НГО Холдинг» в Тюмени и филиале АО «Мостострой-11» фирмы «Мостоотряд-36» для создания метода неразрушающего магнитного контроля физико-механических свойств бурового оборудования и металлических рам.
Методология и методы исследований
В работе использовались экспериментальные и расчётные методы исследования магнитных, механических свойств, химического состава и структуры стали. Обработка и анализ полученных экспериментальных результатов осуществлялись в системе математических вычислений Mathcad, а также с помощью набора программ, разработанных автором диссертации.
Достоверность основных научных положений, выводов и приводимых результатов обеспечивается корректностью постановки задач, физической обоснованностью полученных экспериментальных данных и используемых моделей, применением современных и стандартизованных методов обработки результатов, а также подтверждается непротиворечивостью и воспроизводимостью полученных экспериментальных результатов и расчетами других авторов.
Положения, выносимые на защиту
Способ преобразования и спектрального анализа петли магнитного гистерезиса, основанный на её временном представлении, дискретном преобразовании Фурье и методе численного интегрирования, позволяющий определять амплитуды гармонических составляющих, для массивов данных, содержащих минимум 128 строк с погрешностью, не превышающей 5 %.
Определяющее влияние магнитных свойств стали, структурно-фазового состава на амплитудные составляющие петли магнитного гистерезиса и установленные на их основе корреляционные зависимости амплитуда - коэрцитивная сила, амплитуда - остаточная индукция, амплитуда - индукция насыщения.
Метод определения и основные положения применения комплексного параметра для неразрушающего контроля физико-механических и коррозионных свойств сталей по гармоническому спектру петли гистерезиса. При этом обнаруженные корреляционные зависимости имеют в худшем случае коэффициент детерминации порядка 0,7, а величина ошибки определения свойств материала не превышает 30 %.
Требования, предъявляемые к измерительной системе, математическим методам обработки и исходному массиву анализируемых данных, а также интерпретация обнаруженных закономерностей и изменений параметров структуры материала.
Личный вклад
Результаты, представленные в диссертационной работе, получены лично автором. Постановка цели и задач исследования проводилась автором совместно с первым научным руководителем, выдающимся ученым, доктором физикоматематических наук, профессором В. Ф. Новиковым (1937-2022). Автором проведены экспериментальные исследования, описанные в диссертации, обработаны полученные результаты. Анализ результатов и их интерпретация проводились совместно с научным руководителем и соавторами, указанными в приводимых публикациях. Полученные результаты исследований докладывались автором на научных мероприятиях различного уровня организации и значимости.
Апробация результатов
Основные результаты диссертации были доложены автором и обсуждены на следующих российских и международных конференциях в числе которых: VII Всероссийская конференция «Безопасность и мониторинг природных и техногенных систем» (г. Кемерово, 2020 г.); XVII International Forum-Contest of Students and Young Researchers «Topical Issues of Rational Use of Natural Resources» (г. Санкт-Петербург, 2021 г.); X Международная конференция школьников,
студентов, аспирантов, молодых ученых «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее»
(г. Томск, 2021 г); Девятая международная молодежная научная конференция «Физика. Технологии. Инновации», (ФТИ-2022) (г. Екатеринбург, 2022 г.); XI Международная конференция школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее» (г. Томск, 2022 г.); V Всероссийская научно-практическая конференция «Инновации и долговечность объектов транспортной инфраструктуры (материалы, конструкции, технологии)» (г. Санкт-Петербург, 2022 г.); XXXIV Уральская конференция с международным участием «Физические методы неразрушающего контроля» (Янусовские чтения) (г. Пермь, 2023 г.).
Публикации
Основное содержание работы отражено в 40 публикациях, в том числе 7 научных статьях в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 1 статья в издании, индексируемом в РИНЦ, в 6 статьях входят в базу данных Web of Science, в 2 патентах РФ на изобретение, в 3 свидетельствах о государственной регистрации программы для ЭВМ и 21 публикации в других изданиях.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 218 наименований, четырех приложений; содержит 185 страниц текста, 77 рисунков и 12 таблиц.
Тематика работы соответствует паспорту специальности 2.2.8 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий:
п.1 «Научное обоснование новых и совершенствование существующих методов, аппаратных средств и технологий контроля, диагностики материалов, изделий, веществ и природной среды, способствующее повышению надёжности изделий и экологической безопасности окружающей среды»;
п.3 «Разработка, внедрение, испытания методов и приборов контроля, диагностики материалов, изделий, веществ и природной среды, способствующих повышению надёжности изделий и экологической безопасности окружающей среды»;
п.4 «Разработка методического, математического, программного, технического, приборного обеспечения для систем технического контроля и диагностирования материалов, изделий, веществ и природной среды, экологического мониторинга природных и техногенных объектов, способствующих увеличению эксплуатационного ресурса изделий и повышению экологической безопасности окружающей среды».
Купить

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты:
1. Создан алгоритм математической обработки петли магнитного гистерезиса сталей, основанный на извлечении его спектральных составляющих. Определены метрологические критерии и методические особенности предлагаемого решения с набором требований, предъявляемых к анализируемому массиву данных.
2. Определены технические и методические ограничения разрабатываемого метода; установлено, что минимальный массив анализируемых данных должен содержать 128 строк.
3. Проанализирована степень влияния формы петли гистерезиса стали, обусловленного её магнитными характеристиками, на гармонический спектр, и проведена ее оценка, направленная на разграничение влияния основных магнитных характеристик на гармонические составляющие.
4. Разработана методика контроля механических и коррозионных свойств стали на основе применения метода учета группового аргумента и гармонических составляющих, полученных при анализе петли магнитного гистерезиса. Проанализирована возникающая косвенная связь между рассматриваемыми параметрами на основе изменений, происходящих в структуре стали, её фазовом составе.
5. Установлена зависимость твёрдости и прочности стали от комплексного параметра, получаемого в результате гармонического анализа петли магнитного гистерезиса. Обнаружена аналитическая связь между скоростью коррозии стали в различных агрессивных средах и комплексным параметром, рассчитываемым по результатам измерения амплитуд гармонических составляющих временного сигнала петли гистерезиса. Проведен регрессионный и дисперсионный анализ, показывающий наличие закономерной связи между гармоническими составляющими и механическими и коррозионными свойствами стали. Показанные регрессионные зависимости имеют коэффициент детерминации выше, чем у других магнитных параметров.
6. Разработан новый магнитный метод контроля механических и коррозионных свойств сталей, основанный на корреляционной зависимости комплексного параметра, определяемого в результате спектрального анализа петли магнитного гистерезиса, от твёрдости, прочности, размеров зерна стали. К преимуществам разработанного метода можно отнести возможность его применения на локальном участке эксплуатируемой конструкции.

Купить