PS 11 2017 art 57PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 11/2017 Analiza możliwości   identyfikacji stanu wytężenia lin stalowych   na podstawie pomiarów właściwości magnetycznych  Analysis of the possibility of identifying the strain condition of the steel wire ropes based on measurements of magnetic properties Prof. dr hab. inż. Jerzy Kwaśniewski; dr hab. inż. Maciej Roskosz, prof. AGH; mgr inż. Paweł Mazurek – AGH Akademia Górniczo-Hutnicza; dr hab. inż. Janusz Juraszek, prof. ATH – Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej,  dr hab. inż. Krzysztof Schabowicz – Politechnika Wrocławska. Autor korespondencyjny/Corresponding author: mroskosz@agh.edu.pl Streszczenie Badania nieniszczące lin stalowych to głównie badania defektoskopowe zorientowane na wykrycie pęknięć drutów, deformacji, starć oraz korozji. Jako metody badań stoso- wane są najczęściej różnego rodzaju metody magnetyczne oraz wizualne. W artykule podjęto analizę możliwości roz- szerzenia diagnostyki stanu lin o identyfikację stanu ich wytężenia na podstawie pomiarów zmian właściwości ma- gnetycznych. Wybrane druty liny poddano rozciąganiu i prze- prowadzono pomiary własnego magnetycznego pola rozpro- szenia oraz parametrów impedancji niskoczęstotliwościowej. Słowa kluczowe: stan wytężenia; właściwości magnetyczne; liny stalowe Abstract Non-destructive testing of steel wire ropes is mainly a flaw detection examination aimed at detection of wire failures, deformations, wear and corrosion. Various types of magnetic and visual methods are used as research meth- ods usually. The article discusses the possibility of extend- ing rope diagnostics to identify the condition of their strain on the basis of measurements of changes in magnetic prop- erties. The selected wire ropes were stretched and measure- ments of their own magnetic stray field and low frequency impedance parameters were performed. Keywords: strain condition; magnetic properties; steel wire ropes Wprowadzenie Rozwój magnetycznych metod badań lin stalowych jest od wielu lat przedmiotem badań w Katedrze Transpor- tu Linowego AGH [1,2]. Wśród tych metod można wyróżnić tradycyjną, aktywną opartą na formatowaniu pola magne- tycznego w linie i mierzeniu jego wycieku [1,2], oraz nową, pasywną wykorzystującą własne, samoistne namagneso- wanie lin powstające wskutek działania obciążeń roboczych i sprzężenia magnetomechanicznego (efektów magnetome- chanicznych) [3,4]. Wraz z uzupełniającą je metodą wizualną są to metody zorientowane na wykrycie pęknięć drutów, de- formacji, starć oraz korozji, czyli rozwiniętych efektów pro- cesów zużycia. Interesującym zagadnieniem, z punktu wi- dzenia eksploatacji lin, jest określenie stanu wytężenia liny oraz stanu zachodzących w niej procesów zmęczenia, na wcześniejszym etapie, gdy nie występują jeszcze makro- skopowe oznaki zużycia (defekty) [3,4]. W niniejszym arty- kule podjęto próbę analizy możliwości identyfikacji stanu wytężenia lin na podstawie pomiarów zmian właściwości Jerzy Kwaśniewski, Maciej Roskosz, Janusz Juraszek, Krzysztof Schabowicz, Paweł Mazurek przeglad Welding Technology Review magnetycznych. Przeprowadzono pomiary własnego ma- gnetycznego pola rozproszenia WMPR [3,4] oraz parame- trów impedancji niskoczęstotliwościowej [5÷9] rozplecio- nych pojedynczych drutów liny poddanych rozciąganiu. Podstawy fizyczne W skali makroskopowej występują ścisłe związki pomię- dzy własnościami mechanicznymi i magnetycznymi ferro- magnetyków [3,4,6]. Pod wpływem naprężeń mechanicz- nych w ferromagnetyku dochodzi do odkształceń, którym towarzyszy zmiana namagnesowania. Naprężenia i odkształcenia powodują zmianę oddzia- ływania sił wymiany między sąsiednimi atomami i prowa- dzą do zmiany rozkładu namagnesowania w domenach, a przez to do zmiany właściwości magnetycznych. Ogólnie zjawiska te nazywa się efektami magnetomechanicznymi, DOI:.http://dx .doi .org/10 .26628/ps .v89i11 .834 58 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 11/2017 wśród których można wyróżnić efekty np. Villariego (magne- sowanie przy rozciąganiu i ściskaniu) i Matteuciego (magne- sowanie przy skręcaniu). Ze zjawiskiem magnetosprężystym związana jest magnetostrykcja [1], czyli efekt sprężystego odkształcenia i zmian właściwości mechanicznych, towarzy- szący magnesowaniu ciał magnetycznych. Natężenie WMPR w pobliżu obiektu ferromagnetycznego można opisać zależnością (1): (1) gdzie: Ha – natężenie zewnętrznego pola magnetycznego, Hd – natężenie pola magnetycznego wywołanego namagne- sowaniem ferromagnetyka. Hd nazywamy polem rozmagne- sowania i opisuje je równanie (2): (2) gdzie: M – magnetyzacja, – objętość, S – pole powierzchni ferromagnetyka, s – wektor położenia dowolnego punktu wewnątrz lub na po- wierzchni ferromagnetyka. Zmiany magnetyzacji J lub indukcji magnetycznej B od naprężeń σ, są równoważne zmianom odkształceń ma- gnetostrykcji λ = ∆l/l od zmian natężenia pola magnetycz- nego H. Związki te definiują „czułość magnetosprężystą” d materiału. Zależnie od znaku magnetostrykcji, kierunek działania sił może zmniejszać lub zwiększać magnetyzację. Odwracalne zmiany magnetosprężyste występują w ograni- czonym zakresie we wszystkich materiałach spolaryzowa- nych magnetycznie, wykazujących magnetostrykcję. Czułość magnetosprężysta zależy głównie od składu chemicznego. Metoda impedancji niskoczęstotliwościowej polega na po- miarze indukcyjności L i rezystancji R w układzie szeregowym uzwojenia pomiarowego nawiniętego wokół badanej próbki dla kilku częstotliwości testowych. W metodzie tej stan mate- riału jest opisywany za pomocą trzech parametrów [1]: – znormalizowana składowa impedancji ωL/ωL0, – znormalizowana składowa impedancji (R-R0)/ωL0, – częstotliwość napięcia testowego f. gdzie: ω = 2πf – częstość kątowa, L0 – indukcyjność cewki bez rdzenia, L – indukcyjność cewki z rdzeniem, R0 – rezystancja cewki bez rdzenia, R – rezystancja cewki z rdzeniem. Szczegółowy opis omawianych zagadnień można zna- leźć w [4]. Tablica I. Własności mechaniczne i skład chemiczny drutów wchodzących w skład pojedynczej splotki liny 54,0 WK 6x35+Ap-S/z-n-l-g-1670- DIN 21254 cz. 10 [2] Table I. Mechanical properties and chemical composition of wires in a single strand of rope 54,0 WK 6x35+Ap-S/z-n-l-g-1670-DIN 21254 part 10 [2] Rys. 1. Konstrukcja pojedynczej splotki badanej liny Fig. 1. Construction of a single strand of tested rope Szczegóły badań Przedmiotem badań były druty pojedynczej splotki z liny 54,0 WK 6x35+Ap-S/z-n-l-g-1670-DIN 21254 cz.10 w stanie dostawy. Konstrukcję pojedynczej splotki badanej liny poka- zano na rysunku 1, a własności mechaniczne i skład che- miczny drutów wchodzących w skład pojedynczej splotki liny zawarto w tablicy I. Średnica  drutu [mm] Długość  próbki [mm] Zakres wytrzymałości  [kN] Gatunek  walcówki C [%] Mn [%] Si [%] P [%] S [%] 2,70 270 95,6÷110,5 C82D 0,84 0,55 0,21 0,01 0,01 2,60 260 88,6÷102,4 C82D 0,84 0,55 0,21 0,01 0,01 2,05 205 55,1÷63,7 C76D 0,74 0,54 0,23 0,01 0,009 2,80 280 102,8÷118,8 C82D 0,84 0,55 0,21 0,01 0,01 Pomiary indukcyjności i rezystancji przeprowadzono za pomocą uniwersalnego mostka RLC CEM DT-9935. Przeprowadzono dwie serie pomiarów oznaczonych SI i SII, których szczegóły zawarto w tablicy II. W każdej serii wyko- rzystano po 3 próbki drutu o średnicy 2,8 mm. Każdorazowo cewka pomiarowa była umocowana w centralnej części próbki, w równej odległości od szczęk maszyny wytrzyma- łościowej. Po osiągnięciu założonej wartości naprężenia w przekroju próbki rejestrowano wartości impedancji L i rezystancji R cewki pomiarowej dla 5 częstotliwości: 0,1; 0,12; 1; 10; 100 kHz. Do pomiarów WMPR wykorzystywano magnetometr TSC-1M-4 z głowicą pomiarową TSC-2M dostarczony przez Energodiagnostika Co. Ltd Moscow. Badano pojedyncze dru- ty o średnicy 2,8 mm. Ponieważ badane druty były pochodziły z rzeczywistej liny, były one odkształcone. Konieczne było 59PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 11/2017 Tablica II. Szczegóły pomiarów impedancji Table II. Details of impedance measurements Rys. 2. Krzywe znormalizowanych składowych impedancji dla wybranych wartości naprężenia: a) sample SI-2, b) sample SII-2 Fig. 2. Curves of normalized impedance components for selected stress values: a) sample SI-2, b) sample SII-2 zadanie obciążenia wstępnego, powodującego rozprosto- wanie próbki dające możliwość przeprowadzenie pomiaru składowych WMPR. Prowadzono pomiar dwóch składowych WMPR na po- wierzchni próbki (rys. 1): – HT – składowa styczna mierzona w kierunku równole- głym do kierunku zadawanego obciążenia, – HN – składowa normalna. Ze względu na to, że w trakcie obciążania próbki następuje jej wydłużenie, zdefiniowano początek i koniec rejestrowania wartości poszczególnych składowych. W opracowanych wy- nikach pomiarów zastosowano na osi odciętych względną skalę odległości, w której 0 odpowiada miejscu rozpoczęcia pomiaru, a 1 miejscu zakończenia pomiaru. Próbkę obciąża- no analogicznie jak w przypadku pomiarów impedancji. Wyniki badań i ich analiza Pomiary impedancji niskoczęstotliwościowej Krzywe znormalizowanych składowych impedancji, cewek sprzęgniętych indukcyjnie z próbkami, dla wybranych warto- ści naprężenia w przekroju próbki, reprezentatywne dla po- miarów w danej serii przedstawiono na rysunkach 2a i 2b. Dla obydwu serii pomiarowych widoczny jest wpływ częstotliwości pomiarowej na wielkość zmian impedancji przy zmianach naprężeń. Im wyższa częstotliwość, tym ten wpływ jest mniejszy, stając się praktycznie niewidoczny na rysunkach 2a i 2b obejmujących wszystkie częstotliwości. W celu identyfikacji stanu wytężenia istotne są zmiany za- chodzące w poszczególnych częstotliwościach. Dla serii SI wpływ naprężeń na wartości znormalizowanych składowych impedancji pokazano na rysunkach 3a, 3b i 3c odpowiednio dla częstotliwości 0,12 kHz, 1 kHz oraz 10 kHz. Rysunki 4a, 4b i 4c pokazują zmiany dla serii pomiarów SII. Seria SI obejmuje pomiary z wartościami naprężeń czyn- nych do 1000 MPa. Dla częstotliwości 0,1 i 0,12 kHz (rys. 3a) trudno nawet mówić o jakimś trendzie zmian. Dla częstotli- wości 1 kHz i wyższych (rys. 3b i 3c) widać, że wraz ze wzro- stem wartości naprężeń rosną zarówno znormalizowana rezystancja (R-R0)/ωL0, jak i znormalizowana indukcyjność ωL/ωL0. W serii SII pomiary wykonywane były aż do zerwania próbki, obejmując tym samym większy zakres zmienności naprężeń niż seria SI. Krzywe wpływu naprężeń na para- metry znormalizowanej impedancji są zbliżone do litery U. Dla częstotliwości 0,1 i 0,12 kHz (rys. 4a) jest to kształt zbliżony od odwróconego U. Na początku procesu obcią- żania i w końcowym jego stadium zmiany znormalizowa- nej indukcyjności ωL/ωL0 zachodzą przy bardzo niewiel- kich zmianach znormalizowanej rezystancji (R-R0)/ωL0, przy czym na początku procesu obciążania indukcyjność rośnie, a na końcu maleje (rys. 4a). Dla częstotliwości 1 kHz odwrócone U pochyla się pod kątem około 45° a jego ramio- na przecinają się tworząc pętlę (rys. 4b). Dla częstotliwości 10 i 100 kHz krzywe wpływu naprężeń na parametry znorma- lizowanej impedancji są zbliżone do obróconej, pochylonej pod kątem ok. 45° litery U (rys. 4c). W tym przypadku, wraz ze wzrostem naprężeń czynnych, wartości znormalizowane rezystancji (R-R0)/ωL0 i indukcyjności ωL/ωL0 początkowo rosną, w fazie przejściowej spadkowi rezystancji towarzyszy dalszy wzrost indukcyjności, by w końcu wraz ze wzrostem naprężeń malały zarówno znormalizowana rezystancja (R-R0)/ωL0, jak i indukcyjność ωL/ωL0. Dla obydwu serii pomiarowych problematyczna jest po- wtarzalność wyników, która przy podobnych, opisanych po- wyżej trendach zmian, praktycznie nie występuje. Prawdo- podobnie wynika to z właściwości obiektu badań, drutów liny o znacznym i niejednakowym na długości stopniu od- kształcenia plastycznego wynikającego z procesu produk- cji. Skutkuje to całkowicie nieznanym stanem początkowym próbek pod względem stopnia odkształcenia plastycznego i stanu naprężeń własnych, co znacząco wpływa na otrzy- mane wyniki pomiarów i ich rozrzut. Parametr Seria SI Seria SII Długość próbki [mm] 200 150 Koniec pomiarów 1000 MPa Zerwania próbki Średnica otworu cewki [mm] 4 2,8 Długość cewki [mm] 40 15 Liczba zwojów cewki 1500 750 Grubość drutu nawojowego cewki [mm] 0,28 0,15 SII-2 7 6 5 4 3 2 1 0 0,4 1,20,8 1,6-0,4 0 MPa 300 MPa 600 MPa 1000 MPa 1300 MPa 1700 MPa ωL ωL0 R-R0 ωL0 SI-2 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 20,4 1,20,8 1,6 2,4 ωL ωL0 0 MPa 100 MPa 300 MPa 600 MPa 1000 MPa R-R0 ωL0 b)a) 60 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 11/2017 Rys. 3. Wpływ naprężeń na wartości znormalizowanych składowych impedancji, seria SI Fig. 3. Effect of stresses on normalized impedance components, SI series Rys. 4. Wpływ naprężeń na wartości znormalizowanych składowych impedancji, seria SII Fig. 4. Effect of stress on normalized impedance components, SII series Rys. 5. Rozkład składowych WMPR dla dwóch stanów obciążenia: a) składowa normalna, b) składowa styczna Fig. 5. The distribution of own magnetic stray field components for two laden states: a) normal component, b) tangential component Pomiary własnego magnetycznego pola rozproszenia WMPR Na rysunkach 5a i 5b przedstawiono rozkłady składowych WMPR (rys. 5a – składowa normalna, rys. 5b – składowa styczna) wzdłuż długości próbki drutu o średnicy 2,8 mm dla dwóch stanów obciążenia. Pierwszy z nich to naprężenie 350 MPa, przy którym nastąpiło wyprostowanie odkształcone- go w procesie produkcji drutu liny (co umożliwiło przeprowa- dzenie wiarygodnego pomiaru), a drugi 1700 MPa, to pomiar odpowiadający stanowi naprężenia tuż przed zerwaniem. Widoczne dla przedstawionych, skrajnych stanów obcią- żenia drutów lin, zmiany wartości składowych WMPR nie są jednakowe na długości pomiarowej ani nie mają jedno- litego trendu zmian. Eksperyment ten pokazuje, że dla po- jedynczego drutu liny pomiary WMPR, z zastosowaniem opisanej aparatury badawczej, nie dają wyników mogących posłużyć do opracowania korelacji diagnostycznych opisu- jących stan wytężenia. a) b) c) 100 MPa 200 MPa 300 MPa 400 MPa 500 MPa 600 MPa 700 MPa 800 MPa 900 MPa 1000 MPa 0 MPa 0 MPa 100 MPa 200 MPa 300 MPa 400 MPa 500 MPa 600 MPa 700 MPa 800 MPa 900 MPa 1000 MPa R-R0 ωL0 ωL ωL0 ωL ωL0 f=0,12 kHz f=1 kHz R-R0 ωL0 8,2 8 7,8 7,6 7,4 7,2 6,6 6,5 6,4 6,3 6,2 6,1 0,44 0,50,46 0,520,48 0,54 0,56 1,6 1,8 2 2,2 2,4 0 MPa 100 MPa 200 MPa 300 MPa 400 MPa 500 MPa 600 MPa 700 MPa 800 MPa 900 MPa 1000 MPa ωL ωL0 f=10 kHz R-R0 ωL0 2,64 2,6 2,56 2,52 2,48 2,44 1,54 1,56 1,58 1,6 1,64 1,661,62 b) c) ωL ωL0 R-R0 ωL0 0 MPa 100 MPa 200 MPa 300 MPa 400 MPa 500 MPa 600 MPa 700 MPa 800 MPa 900 MPa 1000 MPa 1100 MPa 1200 MPa 1300 MPa 1400 MPa 1500 MPa 1600 MPa 1700 MPa f=10 kHz 2,56 2,54 2,52 2,5 2,48 2,46 1,18 1,2 1,22 1,24 1,26 a) ωL ωL0 R-R0 ωL0 0 MPa 100 MPa 200 MPa 300 MPa 400 MPa 500 MPa 600 MPa 700 MPa 800 MPa 900 MPa 1000 MPa 1100 MPa 1200 MPa 1300 MPa 1400 MPa 1500 MPa 1600 MPa 1700 MPa f=0,12 kHz -0,2 1,8 0,2 0,4 0,6 6,1 6 5,9 5,8 5,7 5,6 ωL ωL0 R-R0 ωL0 0 MPa 100 MPa 200 MPa 300 MPa 400 MPa 500 MPa 600 MPa 700 MPa 800 MPa 900 MPa 1000 MPa 1100 MPa 1200 MPa 1300 MPa 1400 MPa 1500 MPa 1600 MPa 1700 MPa f=1 kHz 1,2 1,25 1,3 1,41,35 1,451,15 5,2 5,16 5,12 5,08 5,04 5 odległość względna H N -X  [A /m ] H T- X  [A /m ] odległość względna 0 0 200 100 0 -100 -200 -300 500 0 -500 -1000 -1500 -2000 0,6 0,60,4 0,41 10,2 0,20,8 350 MPa 350 MPa 1700 MPa 1700 MPa 0,8 a) b) 61PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 11/2017 Podsumowanie  Przeprowadzono eksperymenty polegające na rozciąganiu rozplecionych drutów liny i pomiarach własnego magnetycz- nego pola rozproszenia WMPR oraz parametrów impedancji niskoczęstotliwościowej. Celem badań było rozszerzenie dia- gnostyki stanu lin o identyfikację stanu ich wytężenia na podstawie pomiarów zmian właściwości magnetycznych. Wyniki badań pokazały, że pomiary WMPR, przy użyciu stosowanej aparatury badawczej, dla pojedynczego drutu liny nie dają wyników mogących posłużyć do opracowania korelacji diagnostycznych opisujących stan wytężenia. Zmiany war- tości składowych WMPR nie mają jednolitego trendu zmian ani nie są jednakowe na długości pomiarowej. Dla pomiarów impedancji niskoczęstotliwościowej, analizując pojedyncze pomiary, możliwa jest w miarę jednoznaczna identyfikacja stanu wytężenia. Natomiast problem stanowi powtarzalność wyników, która przy podobnych trendach zmian, praktycznie nie występuje. Kolejne badania w kierunku identyfikacji stanu wytężenia lin stalowych powinny dotyczyć rze- czywistego obiektu – całej liny, gdzie sygnał diagnostyczny będzie sygnałem wynikowym z wielu pojedynczych drutów, co może, ale wcale nie musi poprawić powtarzalność wyników pomiarów impedancji niskoczęstotliwościowej. Literatura [1] Kwaśniewski J., Krakowski T., Ruta H., Molski S., Pypno M., Ratuszny K.: Qualitative Assessment of the Working Condition of Ropes in Rope, Ap- plied Mechanics and Materials 683, 2014, pp. 45-49. [2] Kwaśniewski J., Krakowski T., Molski S., Ruta H., Szybowski J.: Aspekty techniczno-metrologiczne nieniszczących badań eksploatacyjnych wy- branych elementów urządzeń transportu linowego, Przegląd Komunika- cyjny 72 (3), s. 33-38. [3] Deputat J.: Podstawy metody magnetycznej pamięci metalu, Dozór Tech- niczny 5/2002, s. 97-105. [4] Roskosz M.: Wykorzystanie własnego magnetycznego pola rozproszenia w diagnostyce elementów ferromagnetycznych, Gliwice 2014, Wydawnic- two Politechniki Śląskiej, Monografia nr 530, ISBN 978-83-7880-244-0. [5] Roskosz M., Fryczowski K.: Analiza możliwości identyfikacji stanu naprę- żeń czynnych na podstawie własnego magnetycznego pola rozproszenia ferromagnetyka, Przegląd Spawalnictwa, Vol. 87 Nr 12, 2015, s. 75-77. [6] Żurek Z. H., Duka P.: Obwody RLC w diagnostyce i eksploatacji maszyn, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2014. [7] Fryczowski K., Roskosz M., Żurek Z. H.: Badania wstępne wpływu obcią- żeń rozciągających na parametry obwodu RLC, Przegląd Spawalnictwa, Vol. 87, Nr 12, 2015, s. 45-49. [8] Witoś M., Roskosz M., Fryczowski K., Żurek Z. H.: Bezdotykowy pomiar naprężeń metodą elektromagnetyczną, Autobusy, Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe, Vol. 12, 2016, ISSN: 1509-5878. [9] Roskosz M., Witoś M., Żurek Z. H., Fryczowski K.: Porównanie możliwo- ści diagnostycznych metod magnetycznej pamięci metali, szumu Bar- khausena i niskoczęstotliwościowej impedancji, Przegląd Spawalnictwa, Vol. 88, Nr 10, 2016, s. 57-62, ISSN: 0033-2364.