设备和结构的应力-应变状态
在工业和交通设施剩余寿命评估期间，对设备和结构的应力-应变状态进行检测
现代结构材料状态诊断技术拥有众多不同的物理方法和手段，不再仅限于缺陷检测任务，而是越来越广泛地应用于解决材料力学特性测定的问题。其中，残余应力和工作内应力的测量方法和手段占据着重要地位。
在工程诊断方法方面，结合断裂力学、物理冶金学和无损检测的方法脱颖而出。应力-应变状态（SSS）评估方法主要指的就是这类方法。
如今，世界各地的领先诊断中心都在致力于解决运行结构中的机械应力测量问题，以评估其状态。然而，迄今为止，各种应力控制方法和手段在直接应用于金属部件时的效果仍然不佳。
对金属部件和结构中基体金属和焊接接头的已知应力和应变控制方法和手段的能力进行分析后，可以指出以下不足之处：
不适用于长管道和结构、大型产品、金属部件和容器的检测；
大多数方法在在塑性应变区域无法使用；
未考虑金属结构的变化；
对于大多数检测方法，无法对金属的内部结构进行评估；
需要根据初步准备的样本制作刻度图，而这些样本通常并不能反映金属部件的实际能量状态；
需要对检测表面和检测对象的表面进行处理（如修整、主动磁化、传感器粘附等）；
检测传感器位置确定的复杂性与最大应力和应变作用的方向有关，决定了结构的可靠性。
此外，基于仪器信号与结构金属的主动交互的传统应力无损检测方法和手段，只能获得关于检测对象应力状态的间接信息，即它们对检测过程中使用的物理场缺乏足够的自我描述能力。事实上，在被研究材料中引入的场在与材料自身磁场相互作用时，会改变其性质和检测对象的自旋-自旋散射（SSS）特性。这些变化的性质、数量和寿命取决于相互作用场能量的动态比率。在实际操作中，这些变化在进行诊断时往往被简单地忽略。
本说明首先涉及以下方法：
矫顽力法（矫顽力计的各种改进型）；
磁各向异性法（Complex 2.05和2.06型仪器）；
使用巴克豪森效应的方法（Stresscan、Intromat、Pion和其他类型仪器）。
首先应该明确，任何由仪器人为引入检查对象的物理场，若处于应力-应变状态（即使在工作载荷释放后），都必然会与材料在晶格层面形成的固有物理场（如电磁场）相互作用。忽视检测对象的实际能量状态对于所有结构健康监测（Structural Health Monitoring，SSM）检测方法而言都是一个严重的错误！这尤其涉及应力集中区（Stress Concentration Zones，SCZs），这些区域通常集中在检测对象深度和内部，并以滑移线（裂纹形成部位！）的形式出现在检测对象表面，宽度可达数微米（甚至数亚微米）！此外，检测工作通常是在工作载荷释放后设备停机维修期间进行的，此时残余应力-应变与工作状态下的应力-应变符号相反且数值不同。在这些客观条件下，无论是从物理原理还是计量条件（仪器传感器通常比应力集中区的面积大得多）来看，上述检测方法对于评估检测对象的实际结构健康状态都是无效的。更重要的是，在最大应力（工作应力或残余应力）区域未知的情况下，无法确定金属应被人为磁化到何种深度，以及传感器应安装在何处以及如何安装。
因此，上述列举的众所周知的SSS（应力-应变）检测方法的缺点是由这些方法的物理特性决定的，且是普遍存在的。由于缺乏测量材料SSS特性的计量学基础，即认证和校准（迄今为止，俄罗斯和其他国家尚无统一的标准和样本），导致对所开发检测手段的要求不明确，方法论上存在错误。此外，目前世界上尚无国家设有金属部件和结构SSS无损检测专家培训项目和中心。也没有标准1)规定结构中的应力-应变无损检测方法和手段的一般要求。
1) 首个此类标准由俄罗斯动力诊断公司的专家在俄罗斯制定，并于2004年7月14日在日本大阪举行的国际焊接学会（IIW）第五次委员会会议上提交讨论并获得通过。该标准GOST R 52330-2005的标题为“无损检测。工业物体和运输工具的应力-应变状态测试。一般要求”。
众所周知，在设备寿命评估中，基于对整个金属体积的100%检测来确定应力集中区（SCZs）2) ——损伤发展的主要来源——的实际应力-应变状态是不可或缺的条件。正是应力集中区，而非工作应力的设计平均值，决定了所有结构的可操作性。
2) 人们应区分受产品构型影响的传统概念“应力集中器”与材料科学中的概念“应力集中”，后者是由于工作载荷的作用而在稳定位错滑移带区域产生的。应力集中区（SCZ）是一个局部产品区域，由于结构特征、材料结构不均匀性和工作载荷的不利组合，该区域产生的应变大于整个产品体积的平均应变。
众所周知，在工作载荷的影响下，金属构件的金属性能主要由位错滑移和剪切应变决定。在许多情况下，金属疲劳损伤性积累发生在低周和高周工作载荷的条件下。很明显，传统的应力控制方法无法评估结构的实际应力-应变状态，因为在一般情况下，由于剪切应变引起的应力集中区是未知的。在工业调查过程中，确定只有应力-应变状态检测的“被动”方法才能回答设定的问题，并且最适合实际应用。
首先，使用结构适当物理场测量的被动无损检测方法有：
声发射法 (AE);
金属磁记忆检测法 (MMM).
这两种方法目前在实践中广泛应用于金属部件和结构的损伤早期诊断。此外，正是这两种方法可以确保100%的检测金属部件。
实践证明，与声发射（AE）方法相比，金属磁记忆检测（MMM）方法还能提供关于检测对象实际应力-应变状态（SSS）的信息，从而不仅能更客观地确定应力集中区（SCZ），还能确定该区域形成的原因。将磁记忆检测方法应用于检测对象时，无需进行额外的准备工作（比如打磨等）。
让我们来看一些使用金属磁记忆检测（MMM）方法对金属部件进行应力-应变状态（SSS）评估的示例。
图1显示了高压电场的法向分量沿夹在两个水平管道 ⌀42х4mm之间的⌀25х3mm垂直管道的延伸侧和压缩侧的分布。这些管子是3号钢材质的。在使用热水从室温~20°С至50÷55°С加热管道加热系统期间，⌀25х3mm管段出现目视的弯曲。我们不必进行特殊的弯曲应力水平计算，就可以通过高压场分布图来定性定量地描述该管段的应力-应变状态（SSS）。
沿整个管道周长（压缩、延伸和中性）最大弯曲区域的Hp场值实际上相同，等于400A/m。测量结果符合特殊方法调查过程中获得的设计规律。应特别考虑管道应变信号交替区（见图1中的A单元）内有符号交替的高压场分布。如图所示，Hp=0线位置具有规则性。多年来对管道和各种金属构件进行磁场调查的经验表明，在发展中的金属损伤区域，高压磁场强度法向分量存在稳定的符号交替线。该诊断参数（Hp=0线）（Hp=0线）被用作使用金属磁记忆检测金属部件的实用技术的基础。文献[1,2]表明，记录在管道表面的Hp=0线对应于沿管道截面的位错滑移面。在文献[3]中得到了Hp=0线与应力集中线（SCL）3）和最大位错密度的直接实验证实。
3) 在随后的研究中，确定了一般情况下SCL对应于最大Нр场梯度（dHp/dx）的线。
图2显示了在机械暴露期间表征纯铁的应力-应变状态（SSS）的基本规律，这些规律在论文[1]中通过设计研究获得。从图2，b中可以看出，相对于法向拉应力，滑动面角的值比压应力低得多。例如，在纯铁的拉伸应力为12 kg/mm2时，滑动面角等于约45°，在压缩应力为12 kgГ/mm2时，该角等于约70°。根据Hp现场测量结果（如图1所示），滑动面角度的简单计算表明Hp=0线与拉伸应力侧管道轴线之间的角度等于：
式中，c-为滑行线长度（Hp=0）。
Hp=0线与压应力侧管道轴线之间的角度等于（90°-26,5°）=63,5°。因此，通过简单的几何计算Hp=0线布置相对于管道轴线的角度，通过金属磁记忆检测法在检测过程中检测，确认了文[2]中建立的规则的公平性。在3号钢存在相关性α（σ）的情况下，与纯铁类似（见图2，b），根据金属磁记忆检测法的检测数据，可以通过角度α直接确定管道上的残余应力值和符号。
图.2. ：表征机械暴露期间纯铁应力-应变状态（SSS）的基本依赖性：a——泊松比；b——滑面角；c——剪切应变；d—位错密度N=10nd；e——剪切应变；f—位错密度N=10nd，σ—机械拉压应力，kG/mm2; σpc=0,95; σy=4,3; σt=17; εt=0,14。
图3所示为Konakovo TPS发电机组#1新蒸汽管段（分支B）的检查结果。从图3 b（图的底部）可以看出，当与长度为60mm且开口较大的裂纹（Cr1）相交时，场法向分量梯度（dH/dx）的值比与长度为7mm且开口较小的裂纹（Cr2）相交时的值小1.5倍。在图3，b中还可以看到，SC区的场梯度与裂纹（Cr2）上获得的场梯度大致相等，处于初始发展阶段。
根据公司技术的分析，对SC应力集中区残余应力水平的绝对值进行评估（见图3），结果表明，在这种情况下，该值（通过Hp场的正常分量进行评估）大大的超过了蒸汽管道金属（15Cr1Mo1V钢，σt=500-700 MPa）的极限强度。众所周知，裂纹顶部的应力集中水平可能达到其临界值。
如上所述，根据金属磁记忆检测法，在用TSC系列金属磁记忆应力集中磁检测仪器的传感器沿金属部件表面扫描期间记录的漏磁场Hp（dH/dx）的梯度是一个基本判断应力-应变状态（SSS）的参数。通过磁力效应，确定了该判断参数正是直接反映SCZ中金属表面和深层的能量状态。在精度高达1毫米的金属表面上确定的场梯度的最大值对应于裂纹萌生源。在应变过程最强烈的区域，以及最后的失效区域，磁矩结构发生了足够的变化。方向与滑翔方向相对应的区域的尺寸满足临界尺寸。论文[4]的设计研究表明，铁磁矩的临界尺寸可能具有覆盖多达10个晶粒的体积。具有最大尺寸的区域最终“断裂”——形成裂纹。目前，俄罗斯动力诊断公司拥有通过强度条件表征金属极限状态和裂纹初始发展的定量标准。
论文[5]给出了实践中的各种例子，说明了金属磁记检测法在检测应力-应变状态（SSS）方面的能力，不仅包括管道，还包括其他各种金属部件和结构单元。
例如，Konakovo TPS的K-300涡轮机转子、Cherepovets TPS和Zainskiaya TPS的K-100涡轮机转子、Severodvinskaya TPS-2的T-100涡轮机转子以及Petrozavodskaya TPS的PT-60和T-100涡轮机等（总共检查了100多台不同类型的涡轮机）的100%检查经验可以得出以下结论：SCZ应力集中区——损伤发展的来源（通常以裂纹的形式）——不超过转子金属整个表面和体积的3-5%。涡轮机转子在长期运行后，其余95%的金属体积仍处于令人满意的状态！因此，通过及时检测最大应力集中区并在维修过程中通过普通研磨将其去除，解决了涡轮机转子寿命评估的问题。俄罗斯动力诊断公司在寿命评估中采用了类似的方法，通过金属磁记忆检测法对所有类型的金属部件进行100%的全面检测：涡轮机、锅炉、蒸汽和水管道、天然气和石油管道、容器和其他检查对象。
基于金属磁记忆检测法20年的实际应用经验，可以得出结论，它具有检测局部应力集中区（SCZ）、确定金属部件的实际应力-应变状态（SSS）、可靠性和寿命的独特能力。此外，应该再次指出，在微裂纹发展开始之前，局部应力集中区（SCZ）中的应力绝对值（以磁场梯度最大值的滑移线为特征，这些位错簇的宽度为~0.1÷10微米）比金属常规极限强度σt大几个数量级。很明显，在这些条件下，传统的应力无损检测方法旨在确定长管段上的平均应力值σ，结果不适合其实际应用。
参考文献
1. Dubov A.A. Boiler pipes diagnostics using the magnetic memory of metal. Moscow: Energoatomizdat, 1995, 112p.
2. Dubov A.A. Metal properties investigation using the magnetic memory method // Physical metallurgy and heat treatment of metals. #9, 1997, pp.35-39.
3. Goritsky V.M., Dubov A.A., Demin E.A. Investigation of steel samples structural damageability using the metal magnetic memory method // Control. Diagnostics. #7, 2000.
4. Vlasov V.T., Dubov A.A. Physical basics of the metal magnetic memory method. Moscow: ZAO "TISSO", 2004. 424p.
5. Dubov A.A. Diagnostics of equipment and structures strength using the metal magnetic memory method // Control. Diagnostics. #6, 2001, pp.19-30.