Коэрцитиметр: назначение, порядок работы, требования, советы по выбору​

Коэрцитиметр - прибор для измерения коэрцитивной силы. Это интегральная характеристика ферромагнитных материалов, по которой можно судить об их ключевых структурно-механических свойствах. Данная физическая величина обозначает напряжённость магнитного поля, необходимую для полного размагничивания ферромагнетика. Коэрцитивная сила обозначается как Нс, измеряется в ампер/сантиметрах (А/см) и ампер/метрах (А/м). Являясь сильно структурно-чувствительным параметром, она очень многое говорит о твёрдости поверхности исследуемого объекта, напряжённо-деформированном состоянии (НДС), локальных нарушениях структуры и т.д. Коэрцитиметр - средство неразрушающего контроля, подлежащее утверждению типа СИ и внесению в Государственный реестр СИ РФ. К применению на опасных производственных объектах (ОПО), подведомственных Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзору), допускаются коэрцитиметры с действующей поверкой или калибровкой (проводятся, минимум, 1 раз в год). Помимо мониторинга напряжённо-деформированного состояния металлоконструкций зданий и сооружений, данные приборы позволяют решать и другие задачи, в том числе - контролировать качество химико-термических процессов, качество отжига и закалки стали, определять механические свойства металлопроката и пр. Для разных объектов контроля (ОК) и режимов измерений к коэрцитиметрам предусмотрены разные преобразователи и полюсные наконечники.

Содержание:​

Назначение коэрцитиметров
Принцип работы коэрцитиметра
Требования к таким приборам
Измерение коэрцитивной силы
Подбор коэрцитиметра
Где купить хороший коэрцитиметр

На «Дефектоскопист.ру» доступна отдельная статья, посвящённая коэрцитивной силе и основам коэрцитиметрического метода. Коэрцитиметр - прибор для магнитометрической диагностики. В отличие от тех же магнитопорошковых дефектоскопов, они предназначены не для поиска дефектов (трещин, флокенов и прочих), а для комплексной оценки состояния материала в целом. Полученные результаты позволяют точнее рассчитать остаточный ресурс объекта, и не только его.

Для каких задач применяется коэрцитиметр-структуроскоп​

Измеряя коэрцитивную силу, прибор позволяет оператору судить о многих физико-механических свойствах исследуемого материала, а именно:

• измерять твёрдость;
• определять глубину закалки токами высокой частоты;
• оценивать качество термической, химико-термической и/или термомеханической обработки;
• выявлять места развития напряжений материала и локальные нарушения структуры;
• определять марку стали и производить сортировку;
• оценивать физический износ и степень деградации материала.

Наибольшей информативности контроля можно добиться при сочетании коэрцитиметра с ультразвуковым толщиномером. Такая комбинация средств технической диагностики позволяет с уверенностью судить о деградации механических свойств стали. При этом оператор может оценивать состояние как отдельных, локальных участков, так и всей металлоконструкции в целом. Тем самым можно выявлять критичные зоны, которые нуждаются в упреждающем ремонте.

Устройство и принцип работы портативного накладного коэрцитиметра​

В общем виде прибор представляет собой комбинацию:

• электронного блока (блока управления), в котором предусмотрены устройства намагничивания и размагничивания, генератор тока, усилитель, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, микропроцессор-контроллер, аккумулятор, разъёмы, клавиатура и дисплей;
• приставного преобразователя, в котором есть обмотка намагничивания, обмотка размагничивания и датчик Холла. Принцип действия последнего состоит в том, чтобы зафиксировать электрическое напряжение, возникшее под действием внешнего магнитного поля объекта. Напряжение это пропорционально напряжённости магнитного поля и силе тока. Датчик Холла регистрирует электрические сигналы, которые передаются на блок управления. По этой цифре и рассчитывается напряжённость поля, необходимая для уменьшения магнитного потока до нуля. То есть – значение коэрцитивной силы, которое оператор видит на экране прибора;
• сменных полюсных наконечников различных конфигураций для более плотного контакта с поверхностью;
• соединительного кабеля для подключения преобразователя к электронному блоку.

Схема работы классического коэрцитиметра состоит из нескольких этапов:
1) включение прибора, переход в режим измерения;
2) выбор шкалы измерений. В современных приборах доступны программируемые шкалы, позволяющие отображать результаты измерений в А/см (для коэрцитивной силы), HRC, HCD или HB (для твёрдости). Кроме того, коэрцитиметры могут измерять ток размагничивания I, пропорциональный коэрцитивной силе, и ток размагничивания Ir, пропорциональный релаксационной коэрцитивной силе. Отдельно измеряется напряжение датчика Холла: а) пропорциональное остаточной индукции магнитного поля (U), б) пропорциональное остаточной индукции магнитного поля после размагничивания заданным током (Ui), в) пропорциональное остаточной намагниченности изделия (Um);
3) настройка параметров намагничивания, размагничивания и автоматической сигнализации брака;
4) непосредственно процесс измерения. Преобразователь подносят к объекту, плотно прижимая полюсные наконечники к поверхности. Сгенерированные электронным блоком импульсы тока намагничивания проходят через обмотку электромагнита и намагничивают объект контроля. Затем ток намагничивания отключается, а блок размагничивания постепенно наращивает ток размагничивания. Пропорциональный ему сигнал от измерительной обмотки поступает на аналого-цифровой преобразователь. После обработки в модуле управления значение выводится на дисплей;
5) сохранение результатов в памяти устройства.

Общая продолжительность цикла измерений в современных приборах может составлять всего 3–15 с.

Требования к коэрцитиметрам​

Этому посвящён раздел 7 стандарта ГОСТ Р 58599-2019. Документ распространяется на стальные конструкции из углеродистых и низколегированных конструкционных сталей и требует, чтобы приборы обладали зазороустойчивостью. Данное свойство указывает на возможность измерять коэрцитивную силу даже при наличии зазора между полюсными наконечниками и поверхностью. Это может быть либо немагнитное покрытие (в СТО 36554501-040-2014 обговаривается его максимально допустимая толщина – 6 мм), либо просто воздушная прослойка. Точные параметры зазороустойчивости зависят от конкретной модификации устройства.

Разумеется, применение коэрцитиметра становится правомерным только после прохождения метрологической поверки. Прибор должен быть внесён в Госреестр СИ и поставляться с копией свидетельства об утверждении типа СИ. Он должен обладать достаточным диапазоном измерений и низкой относительной погрешностью. Более того – к каждому преобразователю должны прилагаться минимум два контрольных образца: один – для проверки нижнего порога диапазона измерений, другой – для верхнего. При этом рабочая глубина контроля преобразователя и глубина промагничивания образца должны совпадать.

Порядок проведения контроля​

С точки зрения физических основ проведение контроля при помощи коэрцитиметра представляет собой такую последовательность операций:
1) тщательной зачистки, как правило, не требуется. Разве что удалить окалину, а в остальном – можно спокойно работать при толщине пыли, грязи и защитных покрытий в пределах 3–4 мм. То есть по прибытии на объект дефектоскопист может сразу приступать к разметке поверхности на отдельные участки с шагом примерно 0,5–1 м, используя рулетку (линейку) из набора ВИК;
2) проверяется уровень заряда аккумулятора и производится настройка прибора по контрольным образцам коэрцитивной силы. Изготовлением таких занимается, например, ФГУП "Уралтест". Образцы должны быть аттестованы и подлежат калибровке минимум раз в 3 года;
3) зоны поочерёдно намагничивают до технического насыщения. Делают это в двух взаимно перпендикулярных направлениях – вдоль направления приложения нагрузок и поперёк. Особое внимание уделяется фасонному прокату, гнутым профилям, трубам круглого и квадратного сечения, двутавровым профилям, швеллерам и прочим конструктивным элементам, подверженным эксплуатационной поврежденности. Перечень наиболее нагруженных узлов определяется в результате расчётов и отражается в программе технического диагностирования;
4) оператор фиксирует напряжённость магнитного поля, соответствующую коэрцитивной силе материала. Последняя определяется в ходе стендовых испытаний на растяжение либо экспериментальным путём: нужна серия измерений на контрольных образцах материалов или готовых изделий с эталонным качеством обработки и НДС. Полученные в ходе таких опытов значения сохраняются в специальных справочниках (таблицах) и могут быть продублированы в памяти прибора. Оператор может настроить автоматическую сигнализацию дефекта, указав нижний и верхний порог допустимых значений. Всё, что не укладывается в заданный диапазон, будет расцениваться как повод для перепроверки и отбраковки. На объектах со сложной схемой нагружения всегда ориентируются на большее значение коэрцитивной силы. Если по мере продвижения от одной зоны к другой наблюдается ощутимый рост Нс, то шаг измерения сокращают с упомянутых выше 0,5–1 м вплоть до 1 см – для наибольшей точности замеров;
5) амплитуда сигнала регистрируется встроенным в преобразователь датчиком Холла;
6) на основании корреляционных связей между коэрцитивной силой, амплитудой сигналов и исследуемыми параметрами происходит количественная оценка последних. Полученные значения сопоставляются со специальными таблицами, которые были составлены по итогам механических испытаний и содержатся в ведомственной документации. В каждой отрасли, для каждого сплава – свои значения коэрцитивной силы, при которых можно утверждать о переходе сооружения в неработоспособное, предаварийное или аварийное состояние. При этом: стендовые механические испытания и реальные условия эксплуатации – всё же разные вещи. Поэтому коэрцитиметр позволяет выявлять проблемные зоны даже на тех элементах, которые согласно проекту и инженерным расчётам должны иметь большой запас прочности. Как говорится, должны, но не обязаны: нельзя исключать ошибки в проектировании, нарушение технологии изготовление, правил монтажа, заводской брак материалов и пр. В этом и есть одно из сильных качеств коэрцитиметрии, которая является, по сути, интегральным методом и оценивает текущее состояние металла как следствие всего многообразия внешних и внутренних факторов;
7) заполнение протокола (акта/заключения/отчёта) по результатам измерений. В нём указываются наименование конструктивного элемента (место измерений), расположение в осях, марку стали, значения коэрцитивной силы, измеренные вдоль и поперек приложения нагрузки. Здесь же дефектоскопист может изложить свои примечания. И, конечно же, в каждом протоколе должны быть сведения о наименовании и местонахождении объекта, используемых СИ. Плюс специалист, проводивший контроль, указывает свои ФИО.

Если значение коэрцитивной силы приближается к критической отметке, сооружение могут отнести к разряду «ограниченно работоспособных». В этом случае необходимо назначить дополнительные проверки другими видами неразрушающего контроля и запланировать повторные обследования коэрцитиметрическим методом. Периодичность – от 3 до 6 месяцев.

Как выбрать коэрцитиметр​

Нельзя сказать, что среди этих приборов наблюдается очень большое многообразие. Оно кратно меньше, чем, например, среди ультразвуковых дефектоскопов или переносных рентгеновских аппаратов. Тем не менее, на рынке доступна продукция нескольких разработчиков – НПЦ «Кропус», НПП «Машпроект, НПП «Структурная Диагностика», NOVOTEST. Чтобы подобрать качественный инструмент под свои задачи, рекомендуем отталкиваться от следующих параметров.

• Тип прибора. Он может быть накладным либо проходным. Наибольшее распространение получили накладные модификации, так как проходные не годятся для обследования строительных конструкций и подходят больше для трубопроводов и прочих полых объектов. Для намагничивания обычно используют приставные электромагниты либо – реже – соленоиды. Первый вариант предпочтителен тем, что позволяет контролировать крупногабаритные объекты, при одностороннем доступе, на криволинейных поверхностях. А главное – приставные электромагниты обеспечивают локальность измерений, поскольку позволяют определять коэрцитивную силу в разных точках. Коэрцитиметр такого типа – знаменитый КИФМ – был создан в 1938 году в Уральском отделении РАН. Хотя справедливости ради стоит сказать, что исторически самые первые коэрцитиметры работали именно с соленоидами. Сегодня же они используются преимущественно в цеховых условиях для контроля небольших деталей.
• Диапазон измерения коэрцитивной силы и дискретность (точность) показаний. Нужно смотреть руководящую документацию на контроль и учесть проектную документацию на объект (прежде всего, сортамент материалов). Согласно ГОСТ Р 58599-2019, например, диапазон должен составлять 1–60 А/см, а погрешность не должна превышать 5%.
• Наличие свидетельства об утверждении типа СИ. Прибор должен быть внесён в Госреестр СИ. Аттестованная лаборатория обязана следить за своевременным метрологическим обслуживанием (поверкой) устройства, иначе полученные с его помощью результаты (и оформленные на их основе заключения) не будут считаться достоверными. По крайней мере, на объектах, на которые распространяется закон №102-ФЗ "Об обеспечении единства измерений". Всё как с остальным оборудованием неразрушающего контроля.
• Параметры намагничивания и размагничивания: количество импульсов, сила тока, напряжённость, продолжительность и пр.
• Удобство работы со шкалами, сохранения и обработки результатов контроля. Чтобы не запутаться в данных, полученных с разных объектов, понадобится возможность группировать файлы, перемещать их, редактировать название, добавлять к ним комментарий и пр. Нормой для современных устройств уже давно считается наличие разъёмов для передачи данных на ПК. К большинству моделей даже прилагается специализированное ПО для инсталляции на десктопе и более комфортной работы с результатами магнитометрической диагностики.
• Зазороустойчивость – возможность проведения контроля даже при наличии немагнитного покрытия или воздушной прослойки с автоматической отстройкой (компенсацией) показаний. Кроме того, самому преобразователю может быть свойственна остаточная намагниченность. Если она превышает допустимый уровень, коэрцитиметр должен уметь это учитывать и автоматически корректировать показания.
• Доступные габариты исследуемых объектов. Коэрцитиметрический метод, в целом, не особо чувствителен к геометрии изделий, однако производительность прибора должна соответствовать объёмам контроля. Для сложных поверхностей понадобятся дополнительные полюсные наконечники.
• Доступная номенклатура преобразователей. И в первую очередь – их глубина промагничивания. У одних датчиков она строго зафиксирована, у других – доступна возможность плавной настройки. Для стандартных задач коэрцитиметрии может хватить глубины промагничивания 6–7 мм, хотя в продаже есть приборы и преобразователи, у которых этот показатель достигает 12 мм и более.
• Возможность использовать сменные наконечники (их конфигурация, размеры, расстояние между полюсами). Одно дело – ровные поверхности, совсем другое – изделия цилиндрической формы с определённым радиусом кривизны.
• Портативность. Малый вес (оптимально – не более 3 кг). Коэрцитиметр должен быть удобным для работы на высоте, в полевых условиях, на промышленных площадках, где доступ к зонам контроля часто затруднён. Ещё требование в контексте портативности – автономное питание. Аккумулятор должен иметь достаточную ёмкость, чтобы обеспечивать работу без подзарядки в течение 8 часов, не меньше.

Где купить коэрцитиметр​

Чтобы не ошибиться с выбором коэрцитиметра и перед покупкой спросить совета у профессионалов, пройдите регистрацию и задайте все свои вопросы на форуме. Из спонсоров проекта «Дефектоскопист.ру» разработкой и производством таких приборов занимается научно-производственный центр «Кропус».