Sử dụng nguyên lý Villari và kỹ thuật nhớ từ trong kiểm tra vật liệu từ chịu lực
CÔNG NGHỆ DẦU KHÍ
TẠP CHÍ DẦU KHÍ
Số 8 - 2020, trang 60 - 66
ISSN 2615-9902
SỬ DỤNG NGUYÊN LÝ VILLARI VÀ KỸ THUẬT NHỚ TỪ TRONG KIꢀM TRA
VẬT LIỆU TỪ CHỊU LỰC
Nguyễn Thị Lê Hiền, Đoàn Thành Đạt, Lê Thị Phương Nhung
Viện Dầu khí Việt Nam
Email: hienntl@vpi.pvn.vn
Tóm tắt
Tập trung ứng suất là nguyên nhân chính gây hư hỏng cấu trúc kim loại. Trong vật liệu sắt từ, tập trung ứng suất làm thay đổi từ
trường gần đó và được gọi là hiệu ứng từ giảo hay hiệu ứng Villari. Phương pháp kiểm tra cấu trúc kim loại chịu lực sử dụng kỹ thuật nhớ
từ (metal magnetic memory - MMM) được phát triển dựa trên hiệu ứng Villari là kỹ thuật kiểm tra không phá hủy mới, tiên tiến cho phép
xác định vị trí tập trung ứng suất để dự báo sớm các hư hỏng tiềm ẩn đối với vật liệu sắt từ.
Bài báo giới thiệu nguyên lý Villari và sự phát triển của kỹ thuật nhớ từ cùng với kết quả nghiên cứu thử nghiệm của Viện Dầu khí Việt
Nam (VPI) về sử dụng kỹ thuật này để chế tạo thiết bị kiểm tra cấu trúc kim loại chịu lực.
Từ khóa: Hiệu ứng Villari, kỹ thuật nhớ từ, kiểm tra không phá hủy kim loại, tập trung ứng suất, hư hỏng cấu trúc.
1. Giới thiệu
Các chi tiết, cấu trúc kim loại và đường ống đều làm
dẫn hướng (LRGW),… cho phép kiểm tra, đánh giá sự suy
giảm chiều dày cũng như xuất hiện và phát triển của các
vết nứt trên bề mặt đường ống, thiết bị và cấu trúc kim
loại. Tuy nhiên, các phương pháp này đều có hạn chế nhất
định và không phát hiện được các suy giảm, xuống cấp
của vật liệu do các hư hỏng vi cấu trúc trong giai đoạn mỏi
đầu tiên. Việc nghiên cứu ứng dụng những kỹ thuật có thể
phát hiện và cảnh báo sớm các hư hỏng có ý nghĩa khoa
học và thực tiễn lớn, cho phép dự báo tuổi thọ của các
công trình kim loại, đảm bảo an toàn vận hành.
việc trong điều kiện chịu tải trọng và có thể bị phá hủy
do mỏi sau thời gian vận hành. Quá trình phá hủy vật liệu
kim loại do mỏi được chia thành 3 giai đoạn: (i) quá trình
xuống cấp vật lý hoặc/và hóa học do hư hỏng cấu trúc
vi mô, (ii) khởi tạo xuất hiện các vết nứt vĩ mô và (iii) các
vết nứt phát triển dẫn đến phá hủy vật liệu kim loại. Các
nghiên cứu chỉ ra rằng giai đoạn đầu tiên thường diễn ra
chậm và kéo dài, có thể chiếm đến 90% thời gian làm việc
của các chi tiết, thiết bị và đường ống kim loại và khoảng
80% các sự cố, tai nạn kỹ thuật có nguyên nhân phá hủy
do mỏi tại các vị trí tập trung ứng suất cục bộ. Phá hủy
vật liệu do mỏi thường xảy ra ngay cả khi vật liệu làm việc
với tải trọng dưới giới hạn chảy danh nghĩa của vật liệu,
là dạng phá hủy không báo trước dẫn đến các thảm họa
không mong muốn trong công nghiệp, đặc biệt nghiêm
trọng trong công nghiệp dầu khí.
Hiệu ứng từ tính đàn hồi được phát hiện bởi nhà vật
lý người Ý Emilio Villari năm 1865, là hiện tượng thay đổi
trạng thái từ của vật liệu dưới tác động của lực cơ học.
Hiệu ứng Villari cho phép xác định lực cơ học hoặc ứng
suất thông qua việc đo từ tính của vật liệu [1]. Trên cơ sở
hiệu ứng Villari, kỹ thuật nhớ từ đã được phát triển đầu
tiên bởi tác giả A.A. Dubov (Nga) vào cuối những năm 90
thế kỷ XX [2]. Kỹ thuật này giúp phát hiện các vị trí có hiện
tượng tập trung ứng suất cục bộ trên các vật liệu sắt từ
đang hoặc đã chịu tác động của lực cơ học bằng cách đo
từ trường của vật liệu và mở ra phương pháp đánh giá
không phá hủy mới, tiên tiến để xác định những vị trí này
ngay tại các giai đoạn đầu tiên, trước khi khuyết tật vi mô
xuất hiện. Đây là hướng nghiên cứu ứng dụng mới, đầy
triển vọng đang được thế giới quan tâm nghiên cứu ứng
dụng trong hơn 2 thập niên gần đây [3 - 12].
Hiện tại có nhiều phương pháp đánh giá không phá
hủy (non-destructive test, NDT) như: phương pháp siêu
âm (ultrasonic testing, UT), phương pháp dòng xoáy
(eddy current testing, EC), kỹ thuật kiểm tra rò rỉ dòng từ
thông (magnetic flux leakage testing, MFL), siêu âm sóng
Ngày nhận bài: 21/5/2020. Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 21/5 - 1/7/2020.
Ngày bài báo được duyệt đăng: 20/7/2020.
DẦU KHÍ - SỐ 8/2020
60
PETROVIETNAM
2. Nguyên lý Villari và kỹ thuật nhớ từ
∂B
∂λ
(∂H )
σ
(1)
=
( ∂σ )
H
2.1. Nguyên lý Villari
Trong đó:
H: Từ trường ngoài;
Từ giảo (magnetostriction) là hiện tượng vật liệu từ tính có thể thay
đổi hình dạng khi chịu tác động của từ trường và ngược lại. Từ giảo
thuận là hiện tượng vật liệu kim loại thay đổi chiều dài khi chịu tác động
của từ trường, được phát hiện đầu tiên bởi James Joule năm 1842. Hiện
tượng này được minh họa đơn giản như Hình 1 [3]. Khi vật liệu kim loại
ở trạng thái không từ hóa hoặc ở trạng thái từ hóa thấp, các domain
từ (magnetic domain) được định hướng ngẫu nhiên. Dưới tác dụng của
từ trường, các domain từ được sắp xếp theo hướng của từ trường áp
đặt cho đến khi bão hòa. Ở trạng thái bão hòa, các domain từ được căn
chỉnh, sắp xếp song song với từ trường áp đặt, kéo theo sự thay đổi kích
thước của vật liệu.
λ: Hệ số từ giảo đặc trưng cho sự thay
đổi hình dạng (chiều dài hoặc thể tích) của
vật liệu sắt từ dưới tác dụng của từ trường
ngoài.
Khi λsσ dương, độ cảm từ tăng khi vật
liệu chịu tác dụng của ứng lực và ngược
lại khi λsσ âm, độ cảm từ giảm khi vật liệu
chịu tác dụng của ứng lực. Với quy ước ứng
suất kéo (σT) có giá trị dương và ứng suất
nén có giá trị âm, trong vật liệu có hệ số từ
giảo bão hòa λs dương, mật độ từ thông B
sẽ tăng đối với ứng suất kéo σT và quá trình
tương tự sẽ xảy ra đối với vật liệu có hệ số
từ giảo bão hòa λs âm khi chịu tác dụng của
ứng suất nén σC. Hình 2 cho thấy tại 1 giá trị
nhất định của ứng suất, xuất hiện giá trị cực
Ngược lại với hiệu ứng Joule là hiện tượng từ giảo ngược, hiệu ứng
từ tính đàn hồi hay hiệu ứng Villari [1]. Khi vật liệu từ chịu tác động của
ứng suất cơ học, dẫn đến sự thay đổi từ hóa và kéo theo sự thay đổi từ
trường xung quanh vật liệu. Sự thay đổi độ cảm từ (B) trong vật liệu sắt
từ dưới ảnh hưởng của ứng suất cơ học (σ) có dạng điển hình như Hình 2.
Đặc tính của thay đổi độ cảm từ của vật liệu theo ứng suất tác dụng
phụ thuộc vào dấu của đại lượng λsσ, với λs là hệ số từ giảo bão hòa của
vật liệu và đặc tính thay đổi này tuân theo nguyên lý Le Chatelier như
phương trình (1):
đại của cảm ứng từ, tại đây ( ∂B)H = 0, được
∂σ
gọi là điểm đảo chiều Villari [4]. Sau khi đạt
đến điểm này, vật liệu sẽ phản ứng với sự
gia tăng thêm của ứng suất σ giống như vật
liệu có dấu hiệu ngược lại của từ tính bão
hòa λs (vật liệu có λs dương phản ứng giống
như vật liệu có λs âm và ngược lại).
l
Từ trường tác động
l + δl
2.2. Kỹ thuật nhớ từ (MMM)
Các đường ống, thiết bị, kết cấu chịu lực
chủ yếu đều được chế tạo bằng thép có từ
tính, trong đó cấu trúc vi mô có thể được coi
là tập hợp sắp xếp của các domain từ. Khi vật
liệu thép chịu tác động của ngoại lực hoặc
xuất hiện hư hỏng bên trong, dưới tác động
của từ trường trái đất, các domain từ bên
trong vật liệu được chuyển hướng không
thuận nghịch dẫn đến tín hiệu từ trường
bên ngoài xung quanh kim loại sẽ bị thay
đổi và tín hiệu này được gọi là tín hiệu nhớ
từ của kim loại (MMM) [5, 6]. Theo lý thuyết,
có thể thiết lập tương quan giữa ứng suất
nội của kim loại từ và tín hiệu nhớ từ trên bề
mặt, qua đó sẽ xác định được ứng suất nội
thực tế của kim loại [7] hoặc vị trí kim loại có
ứng suất tập trung [6]. Lý thuyết này được
Hình 1. Hiệu ứng từ giảo - Vật liệu thay đổi kích thước dưới tác dụng của từ trường [3]
B(σ)
B(σ = 0)
λsσ < 0
λs > 0
λs = 0
1
λsσ > 0
λsσ < 0
σc
στ
Ứng suất nén
Ứng suất kéo
Hình 2. Đặc trưng điển hình sự phụ thuộc giữa độ cảm từ (B) và ứng suất cơ học (s) của vật liệu với hệ số từ tính
bão hòa của vật liệu λs dương (λs > 0), âm (λs < 0) và bằng 0 (λs = 0) [3]
DẦU KHÍ - SỐ 8/2020
61
CÔNG NGHỆ DẦU KHÍ
đề xuất bởi Dubov và sau đó phát triển thành một phương
pháp chẩn đoán hư hỏng vật liệu có triển vọng. So sánh
với các phương pháp từ hoặc thử nghiệm không phá hủy
truyền thống, kỹ thuật nhớ từ có thể được sử dụng để dự
báo và phát hiện sớm các khuyết tật và vị trí hư hỏng của
vật liệu sắt từ mà không cần kích thích từ trường mạnh
để từ hóa vật liệu và có thể sử dụng thiết bị thu thập tín
hiệu nhớ từ đơn giản, chi phí không cao. Bên cạnh đó, các
nghiên cứu gần đây hướng tới ứng dụng kỹ thuật nhớ từ
sử dụng từ trường của trái đất làm nguồn kích thích - thay
cho từ trường nhân tạo cần cường độ mạnh áp đặt bên
ngoài - do đó tín hiệu còn được gọi là độ rò rỉ từ thông
(self-magnetic flux leakage - SMFL) hay tín hiệu từ trường
tự cảm. Sự biến đổi của tín hiệu SMFL liên quan đến nhiều
yếu tố như từ trường ban đầu, cấu trúc vi mô, thành phần
hóa học, hình dạng và kích thước của vật liệu sắt từ [8, 9].
tập trung nghiên cứu để tìm ra tương quan giữa SMFL
và ứng suất tác động lên vật liệu từ cũng như mở rộng
phạm vi và các đối tượng áp dụng nguyên lý này. Dưới tác
động của lực sinh ra ứng suất, kim loại sẽ bị biến dạng và
quan hệ giữa ứng suất kéo và biến dạng của kim loại có
dạng điển hình như mô tả trên Hình 3. Giai đoạn đầu tiên,
độ biến dạng của kim loại tỷ lệ thuận với ứng suất kéo,
được gọi là vùng biến dạng đàn hồi của vật liệu (elastic
deformation). Tiếp đó, kim loại chuyển sang trạng thái
biến dạng dẻo (plastic deformation), kim loại vẫn tiếp
tục biến dạng nhưng ứng suất không tăng tương ứng với
giới hạn chảy của vật liệu (yield strength). Giai đoạn cuối
cùng sau khi chảy dẻo, khi ứng suất và biến dạng tiếp tục
tăng cho đến khi kim loại bị thắt cổ chai và kéo đứt, giá
trị ứng suất lớn nhất tương ứng với giới hạn bền của vật
liệu (ultimate strengh). Đối với thép rắn, không có giới hạn
chảy rõ ràng, giới hạn chảy dẻo được xác định theo quy
ước bằng giá trị ứng suất tương ứng với biến dạng dư tỷ
đối là 0,2%.
3. Các kết quả nghiên cứu, ứng dụng nguyên lý Villari
và kỹ thuật nhớ từ trong kiểm tra cấu trúc kim loại
3.1. Các nghiên cứu nước ngoài
Các khảo sát sự thay đổi của SMFL theo ứng suất cho
thấy độ tự cảm từ biến thiên tương tự như tương quan
giữa ứng suất và sự biến dạng của vật liệu. Nghiên cứu
khảo sát sự thay đổi tín hiệu từ trường của các mẫu thép
tròn (ф12 mm, ф16 mm và ф 18 mm) theo độ biến dạng
của mẫu do tác động của ứng suất kéo như mô tả trên
Hình 4 [7]. Kết quả thu được cho thấy sự thay đổi tín hiệu
từ tương tự như sự biến thiên của ứng suất theo độ biến
dạng của vật liệu: giai đoạn đầu, tín hiệu cảm ứng từ của
mẫu tăng cùng với sự tăng của độ biến dạng; khi ứng suất
đạt khoảng 65% giá trị độ bền của vật liệu, từ trường vật
liệu đạt tới trạng thái bão hòa và SMFL đạt tới điểm cực
trị, gần như không thay đổi theo sự biến dạng của vật liệu
cho đến khi mẫu bị phá hủy. Bằng cách lấy đạo hàm của
tín hiệu độ cảm từ cho phép xác định vùng đàn hồi của vật
liệu. Các nghiên cứu khác đã cho thấy khi tiến hành đo từ
Để ứng dụng nguyên lý Villari cũng như kỹ thuật nhớ
từ vào thực tế, rất nhiều nhà khoa học và công nghệ đã
Ứng suất
Giới hạn bền
Giới hạn chảy
Độ biến dạng
Hình 3. Đặc trưng quan hệ giữa ứng suất - biến dạng của vật liệu [10]
-300
(c)
(a)
(b)
-600
-800
-400
-600
-800
-600
-900
-1000
1200
160
100
80
60
40
20
0
120
80
40
0
120
80
40
0
0
10 20 30 40 50 60 70 80
Độ giãn dài/mm
0
20
40
60
80
0
10 20 30 40 50 60 70 80
Độ giãn dài/mm
Độ giãn dài/mm
Hình 4. Biến thiên tín hiệu từ theo độ giãn dài của mẫu trong quá trình tác động lực kéo sinh ra ứng suất trên mẫu thép # TSB. (a) ф12 mm, (b) ф16 mm và (c) ф18 mm [11]
DẦU KHÍ - SỐ 8/2020
62
PETROVIETNAM
trường tại cùng một điểm của mẫu sau khi bị phá hủy có sự khác biệt rất
lớn so với trước khi bị phá hủy như trên Hình 5 với các điểm đo tương
ứng như trên Hình 6 [11].
cục bộ bất thường bên trong đường ống thép
do bị ăn mòn bên ngoài đường ống cũng có
thể được thu nhận được như Hình 8 [12].
Khi đo độ tự cảm dọc theo mẫu thử nghiệm, tín hiệu từ trường tự
cảm có xu hướng tăng gần như tuyến tính và tại mỗi điểm đo, các giá
trị này gần như không đổi trong vùng biến dạng dẻo. Tại điểm mẫu bị
phá hủy (tương ứng với ứng suất phá hủy), hình dạng đường cong độ
tự cảm dọc theo vị trí mẫu khác so với mẫu trước khi bị phá hủy. Tại vị trí
đứt mẫu, tín hiệu từ đổi chiều từ dương sang âm và có giá trị 0 tại biên
điểm đứt mẫu.
Khảo sát hiện trường trên cơ sở phân
tích đánh giá sự biến thiên từ trường của
đường ống bằng phần mềm cho phép
chỉ ra các vùng tập trung ứng suất (stress
concentration zone - SCZ), liên quan đến các
vị trí khuyết tật của vật liệu [13]. Kết quả thu
được khi sử dụng phóng thoi thông minh
(ILI piging) cho thấy sự tương đồng với dữ
liệu khảo sát, ngoài ra còn có thể chỉ ra các
vị trí bất thường tập trung ứng lực, cho phép
cảnh báo sớm nguy cơ hư hỏng đường ống
(Hình 9 và 10). Điều đó minh chứng khả
năng ứng dụng thực tế của phương pháp và
mở ra các nghiên cứu tiếp theo nhằm hoàn
thiện công nghệ.
Trong thực tế, để đảm bảo an toàn vận hành cho các công trình, đặc
biệt đối với các cấu trúc chịu lực, thông thường vật liệu kim loại được
thiết kế làm việc trong vùng đàn hồi. Nghiên cứu quy luật giữa SMFL -
ứng suất trong vùng đàn hồi trên thép C45 cho thấy độ tự cảm từ tỷ lệ
thuận với ứng suất kéo của mẫu thử nghiệm với hệ số góc ít phụ thuộc
vào ứng suất cực đại như Hình 7 [9].
Các kết quả nghiên cứu cho thấy việc xây dựng tương quan SMFL -
ứng suất đối với mẫu vật liệu là cơ sở cho phép xác định được ứng suất
thực tế các cấu trúc chịu lực đang chịu tải.
3.2. Nghiên cứu trong nước
Ứng dụng hiệu ứng Villari nhằm phát hiện các vị trí có ứng suất tập
trung, cho phép cảnh báo sớm các vị trí bất thường của đường ống,
thiết bị là hướng nghiên cứu được quan tâm bởi nhiều nhà khoa học.
D.L.Atherton đã phát triển kỹ thuật khảo sát đường ống bằng quy trình
2 bước nhằm thu nhận các tín hiệu rò rỉ từ thông từ các bất thường bên
trong và bên ngoài đường ống chịu áp lực. Đường ống được từ hóa bằng
cách phóng thoi từ (magnetic pig) nhờ áp lực của đường ống. Ứng suất
Ở trong nước, việc nghiên cứu ứng
dụng các phương pháp từ nhằm dự đoán
các vị trí khuyết tật, hư hỏng vật liệu kim
loại còn rất hạn chế, chủ yếu áp dụng các kỹ
thuật đã được thương mại hóa và gần như
chưa có các công bố hoặc ứng dụng liên
quan đến kỹ thuật nhớ từ và hiệu ứng Villari
cho khảo sát, dự báo các hư hỏng, khuyết
tật của các đường ống, thiết bị áp lực. Trên
cơ sở các công bố quốc tế, Viện Dầu khí Việt
Nam (VPI) đang nghiên cứu nhằm chế tạo
thiết bị thu nhận tín hiệu từ trường trái đất
xung quanh các công trình kim loại chịu tải
với mục tiêu phát hiện sự thay đổi từ trường
trái đất xung quanh các vị trí vật liệu kim loại
tập trung ứng suất và dự báo sớm hư hỏng
vật liệu chịu áp.
Điểm 1
Điểm 10
Đường 1
Đường 2
1 2
3
4
5
6 7 8 9 10
90
225
Hình 5. Hình dạng mẫu thử nghiệm và các vị trí thử nghiệm [11]
800
600
400
1500
1000
500
0
533,3MPa
600MPa
433,3MPa
(b)
(a)
1000
800
600
400
200
0
-200
-400
-600
(c)
440MPa
669,2MPa - ứng suất gãy
446MPa - ứng suất gãy
200
0
-500
1066,7MPa
1133,3MPa
-1000
-1500
-2000
1159,8MPa - ứng suất gãy
-200
-400
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Điểm đo
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Điểm đo
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Điểm đo
Hình 6. Sự phân bố tín hiệu từ trước và sau khi bị phá hủy tương ứng với 3 loại thép thử nghiệm khác nhau (thép Q233 (a), thép 0,45%C (b) và thép 45CrNiMoVA (c)) [11]
DẦU KHÍ - SỐ 8/2020
63
CÔNG NGHỆ DẦU KHÍ
-1,0
-0,6
-0,8
-1,0
-1,2
-1,4
-1,6
-1,8
-2,0
-2,2
-2,4
460MPa, 36kN
610MPa, 48kN
-1,2
-1,4
-1,6
-1,8
-2,0
-2,2
B = -2,322 + 0,00266σ
B = -2,357 + 0,0026σ
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
σ (MPa)
0
100 200 300 400 500 600 700
σ (MPa)
Hình 7. Biến thiên SMFL theo ứng suất kéo của mẫu [9]
3.2.1. Điều kiện thực nghiệm
(a)
ф 19mm Chai cứng ф 19mm
Bên trong
ф 19mm
12mm × 50mm
50mm × 12mm
Thiết bị đo từ trường được lắp ráp
các đầu dò cảm biến 3 chiều có khả
năng đo từ trường trái đất, được tích
hợp bộ khuếch đại tín hiệu có khử
nhiễu ở tần số điện lưới 50 - 60 Hz. Kết
quả khảo sát được thu nhận và xử lý
bằng phần mềm; dữ liệu đo được lưu
lại trong máy tính, có thể chuyển sang
dạng excel để phân tích, xử lý và vẽ đồ
thị.
ф 19mm
500mm
Bên ngoài
(b)
10-4T
Thiết bị chế tạo được thử nghiệm
đo từ trường trái đất gần mẫu thép chịu
tác động của ứng suất kéo. Các mẫu thử
nghiệm được chế tạo từ thép carbon
thấp, có hình dạng tương tự mẫu thử
nghiệm kéo, được gá trên thiết bị kéo
cơ học có khả năng điều chỉnh tốc độ
rất chậm. Đầu đo từ trường được bố trí
gần mẫu thép và có thể di chuyển dọc
theo mẫu thử nghiệm.
Hình 8. (a) Đường ống được chế tạo bất thường trong thử nghiệm của Atherton (b) Từ trường thu được dọc theo
đường ống áp suất 180 MPa đã được từ hóa [12]
500
51,706
51,704
51,702
480
460
51,7
51,698
440
420
-3,63 -3,625 -3,62
Kinh độ (độ)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Khoảng cách (m)
100
50
0
X1
X2
X3
Y1
Y2
Y3
Z1
3.2.2. Kết quả thu được
-50
Z2
Z3
-100
0
200
200
400
600
800
1000
1200
1400
Khảo sát sự biến thiên của từ
trường gần mẫu thép khi bị kéo giãn
tại vị trí cố định không có khuyết tật
trên 2 mẫu có và không có khuyết tật
(Hình 11). Kết quả thu được cho thấy
sự biến thiên tín hiệu từ trường theo
độ giãn dài của mẫu có tương quan
tương tự như quan hệ giữa ứng suất
và độ giãn dài của vật liệu đã được
mô tả trong các thử nghiệm của Dong
Lihong và các cộng sự [11].
Khoảng cách (m)
Khoảng cách (m)
Khoảng cách (m)
40
20
0
X12
X23
X12
Y23
Z12
Z23
-20
-40
0
400
400
600
600
800
800
1000
1000
1200
1200
1400
40
30
20
10
X23
0
0
200
1400
Hình 9. Đặc trưng kết quả khảo sát hiện trường [13]
DẦU KHÍ - SỐ 8/2020
64
PETROVIETNAM
Dưới tác dụng của lực kéo, các domain từ trong mẫu
kim loại chuyển từ trạng thái sắp xếp ngẫu nhiên sang
trạng thái sắp xếp có trật tự nhằm đáp ứng sự giãn dài của
mẫu, tương ứng với trạng thái kim loại trong vùng đàn
hồi. Trong vùng này sự biến đổi từ trường tự cảm tăng dần
theo độ giãn dài của mẫu. Khi các domain từ đạt trạng thái
bão hòa, từ trường gần như không thay đổi mặc dù mẫu
vẫn được kéo dài cho đến khi bị phá hủy.
vị trí tập trung ứng lực như các khuyết tật, mất kim loại do
ăn mòn…
4. Kết luận
Kỹ thuật nhớ từ được phát triển trên cơ sở nguyên
lý Villari là kỹ thuật mới được các nhà khoa học và công
nghệ trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu, phát
triển và ứng dụng như 1 phương pháp NDT tiên tiến, cho
phép phát hiện sớm các hư hỏng tiềm ẩn tại các vị trí tập
trung ứng suất. Các nghiên cứu bước đầu tại Viện Dầu khí
Việt Nam đã cho phép chế tạo thiết bị có khả năng thu
nhận các tín hiệu cũng như sự biến đổi từ trường xung
quanh kim loại và có thể phát hiện các bất thường của các
mẫu thử nghiệm kéo, cho phép mở ra hướng nghiên cứu
ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp, đặc biệt đối với
các thiết bị đường ống chịu áp lực khó tiếp cận trực tiếp.
Tại các ứng suất kéo không đổi, từ trường được đo tại
các vị trí cố định dọc theo chiều dài của mẫu thử nghiệm
đối với mẫu không có khuyết tật và mẫu có khuyết tật với
vị trí khuyết tật được tạo tại chính giữa mẫu thử nghiệm
(tương ứng với vị trí 0). Kết quả thu được như Hình 12.
Trên mẫu có và không có khuyết tật nhân tạo, từ trường
được xác định dọc theo chiều dài của mẫu thử nghiệm tại
ứng suất kéo tương ứng 50, 100 và 150 MPa cho thấy rõ sự
khác biệt tại vị trí có và không có khuyết tật như Hình 12.
Tài liệu tham khảo
Kết quả thu được cho thấy thiết bị chế tạo có khả năng
thu nhận các tín hiệu từ trường cảm ứng xung quanh kim
loại từ chịu ứng lực, có thể phát hiện sự bất thường tại các
[1] E.Villari,“Change of magnetization by tension and
by electric current”, Annals of Physics and Chemistry, Vol.
126, pp. 87 - 122, 1865.
210
205
200
Không khuyết tật
Khuyết tật
195
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8 1,0
Độ biến dạng (mm)
Hình 11. Biến thiên SMFL theo độ giãn dài của mẫu thử nghiệm
Hình 10. Đặc trưng kết quả khảo sát hiện trường so sánh giữa MMM và ILI (đường đỏ) [13]
210
210
209
50 Mpa
100 Mpa
150 Mpa
50 Mpa
100 Mpa
209
150 Mpa
208
208
207
206
205
204
207
206
205
204
-5 -4
-3 -2 -1
0
1
2
3
4
5
-5 -4
-3 -2 -1
0
1
2
3
4
5
Vị trí đo
Vị trí đo
(a)
(b)
Hình 12. Sự biến thiên từ trường dọc theo chiều dài của mẫu thử nghiệm không có khuyết tật (a) và có khuyết tật tại vị trí 0 (b)
DẦU KHÍ - SỐ 8/2020
65
CÔNG NGHỆ DẦU KHÍ
[2] A.A.Dubov, “A study of metal properties using the
on metal magnetic memory”, Materials, Vol. 12, No. 7,
methode of magnetic memory”, Metal Science and Heat
Treatment, Vol. 39, pp. 401 - 405, 1997.
pp. 1167, 2019. DOI: 10.3390/ma12071167.
[8] Guo Pengju, Chen Xuedong, Guan Weihe, Cheng
Huayun, and Jiang Heng, “Effect of tensil stress on the
variation of magnetic field of low-alloy steel”, Journal
of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 323, No. 20,
pp. 2474 - 2477, 2011. DOI: 10.1016/j.jmmm.2011.05.015.
[3] Peter Svec Sr., Roman Szewczyk, Jacek Salach,
Dorota Jackiewicz, Peter Svec, Adam Bienkowski, and Jozef
Hosko,“Magnetoelastic properties of selected amorphous
systems tailored by thermomagnetic treatment”, Journal
of Electrical Engineering, Vol. 65, No. 4, pp. 259 - 261, 2014.
DOI: 10.2478/jee-2014-0040.
[9] Shangkun Ren and Xianzhi Ren, “Studies on law
of stress-magnetization based on magnetic memory
testing technique”, Journal of Magnetism and Magnetic
Materials, Vol. 449, pp. 165 - 171, 2018. DOI: 10.1016/j.
jmmm.2017.09.050.
[4] Dorota Jackiewicz, Maciej Kachniarz, and Adam
Bienkowski, “Investigation of the magnetoelastic Villari
effect in steel truss”, Recent Global Research and Education:
Technological Challenges.
Publishing, 2017, pp. 63 - 70.
Springer
International
[10] ASM International, Atlas of Stress – Strain Curves,
2nd edition. The Materials Information Society, 2002.
[5] D.C.Jiles, “Theory of magnetomechanical effect”,
Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 28, No. 8, pp. 1537
- 1546, 1995.
[11] Dong Lihong, Xu Binshia, Dong Shiyuna, Chen
Qunzhic, and Wang Dan, “Variation of stress-induced
magnetic signals during tensile testing of ferromagnetic
steels”, NDT&E International, Vol. 41, No. 3, pp. 184 - 189,
2008. DOI: 10.1016/j.ndteint.2007.10.003.
[6] Anatoly A. Dubov and Sergey Kolokolnikov,
“Technical diagnostics of equipment and constructions
with residual life assessment using the method of
metal magnetic memory", 17th World Conference on
Nondestructive Testing, Shanghai, China, 25 - 28 October,
2008.
[12] D.L.Atherton,
“Stress-shadow
magnetic
inspection technique for far-side anomalies in steel pipe”,
NDT International, Vol. 16, No. 3, pp. 145 - 149, 1983. DOI:
10.1016/0308-9126(83)90037-8.
[7] Caoyuan Pang, Jianting Zhou, Ruiqiang Zhao, Hu
Ma, and Yi Zhou, “Research on internal force detection
method of steel bar in plastic and yielding stage based
[13] Stephen G.H.Staples, “Using magnetostriction
and the villari effect to detect anomalies”, PhD Transfer
Report, 2012.
VILLARI EFFECT AND METAL MAGNETIC MEMORY TECHNIQUE
IN INSPECTION OF MAGNETIC MATERIALS UNDER STRESS
Nguyen Thi Le Hien, Doan Thanh Dat, Le Thi Phuong Nhung
Vietnam Petroleum Institute
Email: hienntl@vpi.pvn.vn
Summary
Stress concentration is a major cause of metal structure failures. In ferromagnetic materials, it changes the nearby magnetic field, which
is called the inverse magnetostrictive effect or Villari effect. The metal magnetic memory (MMM) method, which is developed based on the
Villari effect, is considered a novel, advanced, unique non-destructive testing technique allowing identification of stress concentration zones
and early prediction of damage potential for ferromagnetic materials.The paper introduces theVillari effect theoretical basis, the development
of the MMM technique, and some experimental investigations conducted by the Vietnam Petroleum Institute in which this technique is used
to produce test equipment for material structures under stress.
Key words: Villari effect, metal magnetic memory, non-destructive testing, stress concentration, structure failure.
DẦU KHÍ - SỐ 8/2020
66
7 trang
16/04/2022
1300
Bạn đang xem tài liệu "Sử dụng nguyên lý Villari và kỹ thuật nhớ từ trong kiểm tra vật liệu từ chịu lực", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- su_dung_nguyen_ly_villari_va_ky_thuat_nho_tu_trong_kiem_tra.pdf
