научная статья по теме ОЦЕНКА СТЕПЕНИ КОРРОЗИИ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ПРУТКОВ АРМАТУРЫ ПО ИХ МАГНИТНОМУ ПОЛЮ Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства

Текст научной статьи на тему «ОЦЕНКА СТЕПЕНИ КОРРОЗИИ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ПРУТКОВ АРМАТУРЫ ПО ИХ МАГНИТНОМУ ПОЛЮ»

УДК 620.179.14

ОЦЕНКА СТЕПЕНИ КОРРОЗИИ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ПРУТКОВ АРМАТУРЫ ПО ИХ МАГНИТНОМУ ПОЛЮ

А.П. Гусев, СЛ. Косовец

Получены аналитические выражения для составляющих напряженности магнитного поля двойных двухслойных цилиндрических включений в изотропной среде. Показано, что вклад коррозии прутков арматуры строительных конструкций в результирующее магнитное поле рассеяния сравним с изменением этого поля магнитным взаимодействием прутков, и что изменение магнитного поля корродирующего прутка за счет магнитного взаимодействия передается соседним пруткам.

Коррозия арматуры, приводящая к уменьшению диаметра металла, снижает прочность строительных конструкций, вследствие чего появляется возможность их разрушения. Наибольший риск разрушения и наихудшие последствия процесс коррозии имеет для несущих конструкций. Контроль же степени коррозии этих конструкций магнитным методом усложнен тем, что прутки арматуры в подобных конструкциях имеют более высокую плотность расположения и при контроле коррозии какого-либо прутка невозможно отстроиться от влияния расположенных рядом прутков.

Повышение достоверности контроля в этих условиях с учетом возможности компьютерной обработки результатов измерений можно свести к замене способов отстройки способами учета влияния. Последнее предполагает установление особенностей магнитного взаимодействия корродирующих прутков при их намагничивании. Теоретическая модель в данной задаче должна учитывать не только изменение диаметра металла, но и наличие продуктов коррозии с измененными магнитными свойствами.

В данной работе выполнено исследование магнитного поля двух параллельных двухслойных цилиндрических тел (см. рисунок), находящихся в изотропной среде и намагничиваемых двухмерным магнитным полем Н0(х, у). Оси цилиндров в исследуемой модели находятся в плоскости Х02, перпендикулярны координатной оси ОХ и пересекают ее в точках = 1,2 — номера включений). Каждый цилиндр имеет внутренний и наружный слои; (1, и р.3, Я, и /?3 — магнитные проницаемости и радиусы наружного и внутреннего слоев первого включения, ц2 и |14, /?2 и /?4 — то же второго включения; |ХС — магнитная проницаемость

окружающей среды. Поскольку создание с помощью небольших накладных намагничивающих устройств достаточно сильных полей для намагничивания в процессе контроля до состояния, близкого к насыщению, является сложной задачей, решение можно получить в линейном приближении (рк = const).

Решение задачи о магнитном поле Н(х, у) рассматриваемой системы может быть получено методом последовательных приближений [1].Для того чтобы использовать в качестве нулевого приближения известные решения [2], полученные для одиночного двухслойного цилиндра при однородном Н0, необходимо принять дополнительные условия: намагничивающее поле в объеме каждого включения однородно, а величина и направление вектора его напряженности Н0у- совпадают с аналогичными характеристиками вектора напряженности неоднородного поля НоСхуУу) в точках, соответствующих центрам включений.

Составляющие напряженности невзаимодействующих двухслойных цилиндрических включений (нулевое решение) в соответствии с [2] могут быть записаны в виде:

Я<°> = I j=1

HOxlKJRj

+r

J+HOvjKjRj

2y(x~xj)

(x-xjf + y2

' (1)

Я/» = £

7 = 1

HOilKJRJ

2У (*-*;)

(x-xjf + y'

+ ЯП K;R2:

j j

(.X-Xjf+y2

где Rj — наружный радиус включения; К] — коэффициент, зависящий от магнитной проницаемости цк цилиндрических слоев и их радиусов Як:

Кх =

К,=

(м-! +м-з) (М-1 -М-о) - (м-i-М-з) (м-! +|Ltc) . (Hi + Из) (Ш + ^с ) Rf - (Hi - Дз) 0*1 - ^с ) Щ '

(ц2 + р4) (щ - рс) Rl - (ц2 - ц4) (щ + рс) Rl (р2 + р4) (|Х2 + |lc) /?2 - (р2 - щ) (р2 - рс) R2A

(2)

Для нахождения первого приближения Н(1) считаем, что на каждое О'-е) включение действует как первичное поле Н0(х/^), так и поле Н^\х-у) соседнего (/-го) включения (/ = 1 при ] = 2 и / = 2 при у = 1). Таким образом, составляющие Н^Сх, у) и Н^Сх, у) результирующего поля получаются заменой Н0х] и Н0у. в (1) на Н0у + Я® и Нйу] + Щ.

Повторение процедуры для 2-го, 3-го и т. д. приближений приводит к рекуррентной формуле М-го приближения напряженности поля у'-го включения:

HW= KjR2 Я<£>= KjR2

Ar: / H r:„ + В; / Я,,:

XJ ^ xjn J / , У] n-0 n=0

N N

BiYjHm + AyiYjHyi>

n=0

n=0

(3)

64

А.П. Гусев, С.А. Косовец

где

А*/ ——

(х~х])2

(;x-xj)2

+ /

; В =

2 '

2? -Л

2 + > п2 2

(я-1)Р.

Иф= а„(а,а2) 2 Я0^ +р„(а,а2) 2 а,Я0л;

("-0Р.

= ал(«1а2) 2 #о„. -рДа^г) 2 а,.Я0 ;

(4)

ос„ = 0,5[1 + (-!)"]; (3„ = 0,5[1 - (-!)"];

Я,

(26)

1 при у = 2

2 при 7 = 1

Переход в (3) к пределу N —> оо приводит к следующим выражениям составляющих напряженности двух взаимодействующих двухслойных цилиндрических включений:

Н'=С I

Н | и

" (2Ь) *

;=1

н и

"О ~ /о, \2 "о

(2*Г

"о, + ТТГТТ "о.

+

I

;=1

яп

гг

2* 0„.

(2*)

где

С =

(2Ь)4

(2й)4 - К.К^Е}

(6)

Из полученных выражений видно, что магнитное поле взаимодействующих включений отличается от поля невзаимодействующих наличием в квадратных скобках дополнительных к Я0 и Я0 . слагаемых, характеризующих поле /-го включения. Отличие знака этих добавок от знака Я0 и Я0 . определяет тип магнитного взаимодействия — подмагничивающее, если знаки одинаковы, и размагничивающее, если знаки противоположны. В целом дополнительные слагаемые (с учетом их величины и знака) определяют изменения пространственного распределения напряженности поля двух включений при взаимодействии.

Интересно отметить, что конечное распределение напряженности поля системы Н(а*, полученное итерационным процессом (ТУ —> оо), не отличается от распределения поля Н(|), получаемого уже в первом приближении. Коэффициент С (6) характеризует лишь изменение модуля вектора 1Н(1)1. Выражение К^КгК,2У?22 в знаменателе коэффициента С в зависимости от соотношения магнитных проницаемостей р,к слоев цилиндров и |1с — среды, как видно из (2), может быть больше или меньше нуля, поэтому С может быть больше или меньше единицы. Например, во всех случаях, когда цилиндрические включения одинаковы или близки по магнитным свойствам < |ХС — включения типа полорть-полость, или (Хк > |ХС — два ферромагнитных прутка), К] и К2 имеют одинаковый знак и С > 1. В

случае различных типов включений (у одного цк > |1С, у другого \хк < цс) значение С < 1. Следовательно, при взаимодействии разнородных включений напряженность магнитного поля 1Н(Л°1 в сравнении с 1Н(1)1 при N —> оо уменьшается, у однотипных включений возрастает. То есть вторичные поля разнотипных включений частично компенсируют друг друга.

Для оценки влияния степени коррозии на магнитное поле целесообразно рассмотреть два качественно различных случая: 1 — степень коррозии всех прутков одинакова, 2 — корродирует один пруток.

1. Для упрощения расчетов полагаем, что намагничивающее поле Н0 однородно. Кроме того, применительно к строительным конструкциям можно принять цс = 1, |а., = [12, М-з = М-4. = = Тогда Кх = К2 и выражения (5) приводятся к виду:

Я = СК,Щ

1 + И-

(2 ЬУ

{АХ1 + АХ2)Н0Х +

1-

(2 Ъ)1

2 Л

нх = сед2

1+

едг.

(2 Ь)1

{В1+В2)н0х +

1-

кл

11

(2 ЬУ

(ау1+Ау2)Н0

(7)

В степени влияния коррозии на поле прутков можно судить по отношению напряженности поля корродирующих прутков Н к напряженности поля Н' некорродирующих. Для корродирующих прутков значения и С определяются выражениями (2) и (6). Для целых же прутков:

ц3+1

(2Ьу ± К[1Щ

(В)

Зависимость отношения Я/Я' от для случаев подмагничивающе-го и размагничивающего взаимодействия между прутками принимает достаточно простой вид

нх ^кх(аъ2±к[в$)

(9)

Знак "плюс" соответствует случаю Н0х = 0, знак минус — случаю Н0у = 0. В [3] показано, что учет экспериментальной поправки на магнитное взаимодействие снижает погрешность расчетов, связанную с условием однородности Н0 в объеме прутков. Применительно к строительным конструкциям в поправочном коэффициенте можно положить ф = л/2, тогда поправочный коэффициент равен (1 + 0,52)Ь/Я] и

Н'х К[(Ь ±0,38/^) '

Результаты численного расчета ЯуЯ/ для конкретного случая представлены в таблице. В этой же таблице приведена зависимость коэффициента магнитного взаимодействия между прутками Кт = (Нх - Я|0))/Я*0) от изменения в процессе коррозии диаметра металла. Представленные в таблице значения получены при ц.3 = 100, (I, = 10 и при расстоянии между центрами прутков 2Ь = 4/?,.

Из таблицы видно, что для приведенного случая при одинаковой коррозии прутков уменьшение диаметра металла на 50 % приводит к замет-

5 Дефектоскопия, №11, 2003

66

А.П. Гусев, С. А. Косовец

ному уменьшению напряженности магнитного поля как при подмагничи-вающем (на 12 %), так и при размагничивающем (больше 10 %) взаимодействии. Что касается магнитного взаимодействия прутков, то его вклад в результирующее поле является существенным (14 % и 11 %) и снижается с уменьшением RJ незначительно. Снижение напряженности поля на 11 % размагничивающим взаимодействием может быть ошибочно принято за уменьшение диаметра металла прутков за счет коррозии, в данном случае почти на 50 %.

Зависимость отношения Я^Я/ и коэффициента магнитного взаимодействия Ка между прутками от уменьшения в процессе коррозии диаметра металла

«3 К, "о, = 0 "о. = 0

к, Н, н,

Н'х "Г Н'х я<°>

1 0,980 1 0,143 1 -0,111

0,95 0,970 0,988 0,141 0,991 -0,11

0,9 0,960 0,977 0,139 0,982 -0,109

0,8 0,939 0,953 0,136 0,963 -0,107

0,7 0,918 0,928 0,132 0,943 -0,105

0,6 0,897 0,904 0,129 0,923 -0,103

0,5 0,876 0,88 0,126 0,904 -0,101

2. В случае коррозии одного прутка, например первого (j = 1), в уравнениях (5) можно положить М-4 = (Х2 и /?4 = R2. Из (6) видно, что величина С в зависимости от/?з/7?, изменяется незначительно. Например, для принятых выше условий ц3 = 100, р, = 10, рс = 1 и b = 2Rx при изменении RtJRx на 50 % значение С изменяется на 0,04 %. При этих же условиях величина Кх, как видно из таблицы, изменяется примерно на 10 %. Поскольку Кх входит в выражение для поля прутка 1 в виде коэффициента, на эту же величину в процессе коррозии изменяется и поле этого прутка. Этим, однако, не ограничивается изменение результирующего поля прутков, т

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком