Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физические методы и технические средства контроля напряженно-деформированного состояния металла стальных изделий и металлоконструкций 9
1.1. Экспериментальные методы контроля напряженно-деформированного состояния металла стальных изделий и металлоконструкций 9
1.2. Электромагнитные методы контроля напряженно-деформированного состояния металла стальных изделий и металлоконструкций 14
1.3. Методы измерения напряженно-деформированного состояния металла (усилия затяжки) стальных шпилек и болтов корпусного оборудования 23
Выводы по первой главе 27
Глава 2. Исследование зависимости напряженности поля остаточной намагниченности металла от напряженно-деформированного состояния стального изделия, металлоконструкции 28
2.1. Исследование напряженности поля остаточной намагниченности металла деформированного стального изделия, металлоконструкции 28
2.2. Исследование напряженности поля остаточной намагниченности металла деформируемого стального изделия, металлоконструкции 37
2.3. Влияние линейных параметров стального изделия, металлоконструкции на зависимость напряженности поля остаточной намагниченности от напряженно-деформированного состояния металла 45
Выводы по второй главе 54
Глава 3. Исследование зависимости напряженности поля остаточной намагниченности от величины механического напряжения металла (усилия затяжки) стальных шпилек и болтов 56
3.1. Расчет напряженности поля остаточной намагниченности металла стальной шпильки, болта 56
3.2. Зависимость напряженности поля остаточной намагниченности от величины механического напряжения металла (усилия затяжки) стальной шпильки, болта 64
3.3. Влияние линейных параметров стальной шпильки, болта на величину напряженности поля остаточной намагниченности металла 72
Выводы по третьей главе 81
Глава 4. Разработка метода и технических средств локального магнитного контроля напряженно-деформированного состояния металла элементов корпусного оборудования и металлоконструкций 82
4.1. Устройство индикатора механического напряжения металла стальных изделий и металлоконструкций 82
4.2. Методические основы магнитного контроля напряженно деформированного состояния металла элементов корпусного оборудования и металлоконструкций 87
4.3. Результаты предварительных испытаний и практического применения индикатора механического напряжения металла при контроле напряженно-деформированного состояния металла элементов корпусного оборудования и металлоконструкций 95
Выводы по четвертой главе 106
Основные выводы и рекомендации 107
Список использованной литературы
- Электромагнитные методы контроля напряженно-деформированного состояния металла стальных изделий и металлоконструкций
- Исследование напряженности поля остаточной намагниченности металла деформируемого стального изделия, металлоконструкции
- Зависимость напряженности поля остаточной намагниченности от величины механического напряжения металла (усилия затяжки) стальной шпильки, болта
- Методические основы магнитного контроля напряженно деформированного состояния металла элементов корпусного оборудования и металлоконструкций
Электромагнитные методы контроля напряженно-деформированного состояния металла стальных изделий и металлоконструкций
Существенный вклад в развитие физических методов контроля НДС металла внесли российские и зарубежные ученые: Клюев В.В., Горкунов Э.С., Зацепин Н.Н., Мужицкий В.Ф., Новиков В.Ф., Бобров В.Т., Самокрутов А.А., Никитина Н.Е., Дубов А.А., Бобренко В.М., Мельгуй М.А., Сандомир-ский С.Г., Венгринович В.Л., Hauk V., Santish S., Withers P.J., и др.
Техническая диагностика большинства стальных изделий и металлоконструкций предусматривает контроль НДС металла, результаты которого используются для оценки остаточного ресурса работоспособности объекта.
Часто контроль НДС металла проводится в составе диагностических мероприятий, предусмотренных при проведении плановых ремонтных работ, которые предъявляют к методам и техническим средствам контроля НДС металла следующие требования: – надежность результатов контроля НДС металла в полевых и цеховых условиях; – эффективность контроля НДС металла, не требующая увеличения сроков и дополнительных затрат ремонтных работ; – простота метода и технических средств контроля НДС металла, не требующих высокой квалификации персонала.
Аналогичные требования предъявляются к приборам контроля НДС металла при проведении технической экспертизы разрушенных элементов металлоконструкций, или на которых возникли осложнения.
Не все физические методы и технические средства контроля НДС металла стальных изделий и металлоконструкций могут удовлетворять этим требованиям практики, которые условно делят на следующие группы [27, 47, 83, 95]: – методы аналогий и моделей объектов контроля; – методы прямого измерения деформаций натурных деталей и стандартных образцов; – методы косвенного измерения НДС металла на основе физических параметров. Методы аналогий и прямых измерений деформации металла являются стационарными (лабораторными) методами контроля, в то время как методы косвенного контроля НДС металла применимы как в лабораторных, так в цеховых и полевых условиях. К лабораторным методам контроля НДС металла стальных изделий и металлоконструкций относятся методы [14, 20, 27, 47, 95, 112, 115, 118]: – с использованием тензочувствительных, оптически чувствительных покрытий, делительных сеток и муаровых полос, голографической интерферометрии; – с использованием поляризационно-оптических явлений; – тензометрии, виброметрии, с использованием дифракционной картины в рентгеновских и нейтронных излучениях. К методам косвенного измерения НДС металла на основе физических параметров относят методы: – ультразвукового контроля механических напряжений металла; – рентгеновскую и нейтронную тензометрию (с некоторыми ограничениями); – электромагнитного и магнитного контроля механических напряжений металла.
Методы контроля НДС металла стальных изделий с использованием тензочувствительных покрытий основаны на нанесении на контролируемую поверхность металла хрупкого слоя покрытия, которое при деформации основы получает аналогичные по величине деформации материала [27, 83]. При превышении деформации металла заданного порога, в связанной точке тен-зочувствительного покрытия возникают трещины, которые по мере увеличения деформации распространяются от более нагруженной части в менее нагруженную часть элемента металлоконструкции.
При использовании оптически чувствительных покрытий, которые наносятся на контролируемую поверхность металла, деформация основы определяется по изменению интерференционной картины, получаемой путем отражения поляризованного луча света от поверхности контролируемого металла. На основе распределения и интенсивности интерференционных полос можно визуально определить места концентрации механических напряжений и их главные направления [27, 47, 95].
Метод отраженной сетки основан на отражении, нанесенной на зеркальную поверхность металла, сетки на экран оптического прибора. При механическом нагружении элемента стального изделия, металлоконструкции оптическое изображение сетки на металле искажается, по которому определяют углы поворота нормалей и общую картину распределения деформаций металла. Погрешность метода отраженной сетки не превышает 5%.
Поляризационно-оптический метод исследования применяется для определения механических напряжений материала на прозрачных моделях, которые обычно выполняются подобными по форме, линейным размерам и действующей механической нагрузке к исследуемому элементу стального изделия, металлоконструкции. Интерференционная картина, возникающая после полярископа, пропорциональна величине механического напряжения материала в просвечиваемом сечении исследуемой модели. По механическим напряжениям материала, измеряемым в упругой модели, с помощью соответствующих формул подобия находят величину механического напряжения в натурных элементах стальных изделий и металлоконструкций.
Метод спекл-интерферометрии, который можно отнести к поляризаци-онно-оптическому методу, основан на использовании оптической схемы интерферометра, в которой металл освещается лазерным излучением под одинаковым углом (около 57 к нормали поверхности) в двух направлениях, что позволяет определять компоненты механического напряжения на поверхности металла [55, 113, 127].
Для оценки остаточного механического напряжения металла метод спекл-интерферометрии требует высверливания отверстия (несквозного, сквозного, глубиной и диаметром 1-2 мм) в металле для нарушения равновесия механических сил [66, 86], что недопустимо при технической диагностике корпусного оборудования и металлоконструкций на объектах энергетики, нефтегазовой отрасли промышленности и др. Длительность проведения одного измерения может составить десятки минут, поэтому, несмотря на наличие переносных типов спекл-интерферометров, этот метод следует отнести к лабораторным методам контроля НДС металла.
Ультразвуковые методы контроля НДС металла основаны на зависимости скорости ультразвуковой волны от механического напряжения. Линеаризованное выражение для относительного изменения скорости ультразвука с от одноосного механического напряжения металла т имеет вид [70, 72-74]: Ас/с = /3 у, (1.1) где Р - акустоупругий коэффициент одноосного напряжения металла, зависящий от упругих постоянных второго и третьего порядка.
Эффект влияния механического напряжения в металлах на скорость ультразвука незначителен ф 1), поэтому этот параметр должен измеряться с весьма малой погрешностью (0.01-0.03%) [70, 121]. Другим фактором, затрудняющим акустический контроль НДС металла, является влияние внутренней поврежденности металла, структурных неоднородностей и отклонения элементного состава от требований ТУ, ГОСТ [24, 26] и т.д. на скорость ультразвуковой волны, соизмеримых с влиянием механического напряжения.
Для минимизации этих погрешностей в современных методах акустической тензометрии используются преобразователи, которые излучают и принимают одновременно три типа волн (продольной и двух поперечных), на основе которых определяют упругие постоянные металла, направления кристаллографических осей, главные механические напряжения металла.
Исследование напряженности поля остаточной намагниченности металла деформируемого стального изделия, металлоконструкции
На создании локальной области с остаточной намагниченностью металла основана работа магнитных анализаторов типа ИМА [58-60, 62, 87]. Преобразователь магнитного анализатора устанавливается на поверхность металла, осуществляет его локальное намагничивание импульсным магнитным полем и измеряет градиент нормальной составляющей напряженности поля остаточной намагниченности над металлом. Высокая локальность магнитного контроля обеспечивается магнитным полюсом преобразователя стержневого типа, размер которого не превышает 20 мм. Магнитный анализатор позволяет оценивать механическое напряжение металла и некоторые механические характеристики. Время одного измерения составляет около 8 секунд, поэтому измерения проводятся в статическом режиме.
В отличие от других магнитных методов, при магнитном контроле НДС по остаточной намагниченности металла осуществляется однократное измерение в точке, что существенно повышает производительность контроля. В силу того, что намагничивание металла осуществляется в плоскости, перпендикулярной поверхности распределения механических напряжений металла, то остаточно намагниченное состояние металла формируется в результате взаимодействия вектора намагниченности металла с механическим напряжением в произвольном направлении [40, 49, 51, 76-80, 108].
На результаты магнитного контроля НДС металла по остаточной намагниченности металла влияют множество факторов (размеры остаточно намагниченной области, высота измерения магнитного поля, толщина металла и т.д.). Например, влияние толщины металла может привести к погрешности оценки НДС до 70% [58-60, 87]. Для снижения влияния толщины металла на показания приборов типа ИМА предлагается сужение области толщины контролируемых объектов, что нельзя считать оптимальным техническим решением [60].
Следует заметить, что до настоящего времени отсутствовали теорети- ческие модели остаточно намагниченного стального изделия, учитывающие влияние основных линейных параметров объектов при магнитном контроле НДС металла по остаточной намагниченности, на основе которых можно было бы разработать меры отстройки от мешающих факторов [38-39].
В работе [28] приведено описание устройства для измерения механического напряжения металла с помощью тонкой магнитной пленки, собственное магнитное поле которой используется для оценки НДС металла. Накладной преобразователь создает в металле переменное магнитное поле напряженностью, много меньшей магнитного поля насыщения. Метод измерения НДС металла основан на известном физическом явлении, заключающемся в деформации формы петли магнитного гистерезиса металла при воздействии механического напряжения [45, 65, 120]. Значительны изменения формы петли магнитного гистерезиса в области слабых и средних магнитных полей, что приводит к изменению коэрцитивной силы и других магнитных параметров металла. Преимуществом устройства [28] является возможность непрерывного контроля НДС металла.
Рассмотренные методы магнитного контроля НДС металла относятся к активным методам, когда состояние металла определяется по реакции на воздействие внешнего физического поля. Однако существуют методы косвенной оценки НДС металла, которые основаны на измерении напряженности поля остаточной намагниченности, созданной искусственно, или приобретенной в процессе длительной эксплуатации под воздействием геомагнитного поля [30, 52, 111, 128-129]. Эти методы относят к методам магнитной памяти металла, хотя в физике магнитных явлений дано более точное название – маг-нитоупругий и магнитомеханический эффекты [18, 65].
Магнитометрические приборы (ИКН-1М-3, ИМНМ-1Ф и др.), основанные на указанных эффектах, измеряют градиент нормальной составляющей напряженности поля остаточной намагниченности на поверхности металла. В зоне концентрации механического напряжения металла происходит изменение знака градиента напряженности поля остаточной намагниченности, поэтому при сканировании поверхности металла можно определить области, где градиент напряженности поля остаточной намагниченности близок к нулю (нулевые линии) [29-30, 52]. На основе предварительных измерений на сталях известных марок показана возможность количественной оценки механического напряжения металла [30].
Магнитометрические приборы ИКН-1М-3, ИМНМ-1Ф обладают высокой производительностью, но вызывают сомнения их возможности надежной оценки механического напряжения металла.
Магнитометрический метод (методам магнитной памяти металла) весьма чувствителен к флуктуации магнитного поля Земли (которое изменяется во времени и в пространстве), к внешним условиям формирования НДС металла, которые в общем случае являются неопределенными [128-129].
Весьма показательны результаты сравнительных испытаний физических методов и технических средств контроля НДС металла, где были рассмотрены возможности методов тензометрии («KYOWA»), твердометрии («ТЕМП-2»), магнитошумого метода («ПИОН-01», «STRESSCAN-500С», «ИНТРОМАТ»), метода магнитной памяти металла (ИКН-1М- 4), метода ам-плитудофазочастотных характеристик («СИТОН-ПП- NB») и расчетного метода («LASER BEACON», программное приложение «COSMOS/M», «TRI-FLEX», «CONPIPE») [29].
Результаты лабораторных испытаний показали, что средняя ошибка испытанных приборов контроля НДС металла составляет около 15%. При контроле НДС металла в полевых условиях, их показания отличаются от контрольных значений на 30-36%. Установлено, что в выявленных магнитометрическим прибором ИКН-1М-4 областях с повышенным НДС металла, наличие дефектов сплошности и неоднородностей металла ультразвуковой дефектоскопией не подтверждено.
Зависимость напряженности поля остаточной намагниченности от величины механического напряжения металла (усилия затяжки) стальной шпильки, болта
Максимальные значения х- и -составляющей напряженности поля остаточной намагниченности металла, определенные по формулам (2.34), обнаруживают аналогичную зависимость от толщины t стального изделия, при этом их можно считать постоянными, если толщина металла стального изделия удовлетворяет условию t dn/2.
Можно предложить два пути отстройки от влияния толщины стального изделия на результаты магнитного контроля НДС металла стального изделия, металлоконструкции: если толщина стального изделия в точке измерения превышает линейные размеры магнитного полюса постоянного магнита стержневого типа (при t dm), то влиянием толщины металла на результаты магнитного контроля НДС металла можно пренебречь; в противном случае (при t dm) требуется корректировка результатов магнитного контроля НДС металла, которую можно осуществить умножением показаний на поправочный коэффициент rj, значение которого выбирается по фактическому значению толщины стального изделия t, предварительно измеренному в точке контроля НДС металла (таблица 2).
Из таблицы 2 видно, что для стальных изделий, толщина которых соизмерима с диаметром магнитного полюса постоянного магнита стержневого типа (при tdm), величина поправки показаний индикатора механического напряжения металла (l-rj) не превышает 1%.
1. Получены аналитические выражения для зависимости напряженности поля остаточной намагниченности металла от величины механического напряжения при разном магнитном и механическом состоянии металла, которые определены через основные магнитные параметры металла.
Показано, что величина напряженности поля остаточной намагниченности металла деформируемого стального изделия, элемента металлоконст рукции монотонно снижается с повышением величины механического напряжения металла. При переходе в область пластической деформации снижение величины напряженности поля остаточной намагниченности металла деформируемого стального изделия замедляется, а затем прекращается. Показано, что этот фактор можно использовать я для осуществления ранней диагностики разрушения металла стального изделия.
Получено аналитическое выражение для ранее неопределенного параметра магнитоупругости остаточной намагниченности металла.
2. Установлено, что величина напряженности поля остаточной намагниченности металла деформированного стального изделия, элемента металлоконструкции линейно возрастает с повышением величины механического напряжения во всей области деформации металла.
3. Разработана физическая модель формирования поля остаточной намагниченности металла над поверхностью стального изделия конечной толщины. Показано, что на обратной поверхности остаточно намагниченного стального изделия конечной толщины, вектор напряженности поля остаточной намагниченности металла направлен против вектора напряженности магнитного поля стержневого намагничивающего устройства.
Предложены методы отстройки влияния толщины металла на величину напряженности поля остаточной намагниченности при магнитном контроле НДС металла стального изделия, элемента металлоконструкции. Исследование зависимости напряженности поля остаточной намагниченности от величины механического напряжения металла (усилия затяжки) стальных шпилек и болтов
Метод локального магнитного контроля НДС металла элементов металлоконструкций можно использовать для контроля усилия затяжки стальных шпилек и болтов в резьбовых соединениях корпусного оборудования. Остаточная намагниченность металла на торцевой поверхности стержня стальной шпильки, болта создается магнитным полюсом намагничивающего устройства стержневого типа, напряженность поля остаточной намагниченности металла стального стержня измеряется преобразователем магнитного поля, располагаемого в середине остаточно намагниченной области металла (рис.2.11, 2.12).
В зависимости от магнитного и механического состояния металла стержня стальной шпильки, болта, характер изменения напряженности поля остаточной намагниченности металла в процессе затяжки будет различным, при этом: напряженность поля остаточной намагниченности металла затянутой стальной шпильки, болта (когда, аналогично деформированному стальному изделию, остаточная намагниченность металла Jr создается в НДС металла) будет монотонно возрастать с увеличением механического напряжения металла стального стержня (2.14); напряженность поля остаточной намагниченности металла затягиваемой стальной шпильки, болта (когда, аналогично деформируемому стальному изделию, остаточная намагниченность металла Jr создается без влияния механического напряжения) будет монотонно уменьшаться с увеличением механического напряжения металла стального стержня (2.24).
В случае стальной шпильки, болта в формулах расчета величины остаточной намагниченности металла (2.9), (2.21) и напряженности поля остаточной намагниченности над стальным изделием (2.14), (2.24) следует учесть следующее: значение параметра равно величине одноосного механического напряжения металла стального стержня; размагничивающий и топографический факторы зависят от линейных параметров стальной шпильки, болта и магнитного полюса, которые имеют соизмеримые величины, вследствие чего оказывают влияние на результаты магнитного контроля усилия затяжки.
Рассмотрим теоретическую модель, в которой остаточно намагниченные поверхности стержня стальной шпильки, болта заменяются заряженными плоскостями с соответствующими линейными размерами (рис.3.1). Для упрощения расчетов сечение торцевой поверхности стальной шпильки, а также стальной гайки, взяты квадратной формы.
Методические основы магнитного контроля напряженно деформированного состояния металла элементов корпусного оборудования и металлоконструкций
Зависимость напряженности поля остаточной намагниченности металла от механического напряжения деформированного и деформируемого стального изделия (2.14), (2.26) лежит в основе работы индикатора механического напряжения металла ИН-01м (рис.4.1), который является портативным устройством, удовлетворяющим требованиям ГОСТ Р52330-2005 [23]: он имеет автономное электрическое питание, может применяться для магнитного контроля НДС металла стальных изделий и элементов металлоконструкций как в цеховых, так и в полевых условиях; имеется возможность автоматической регистрации результатов магнитного контроля и записи в электронную память, передачи результатов измерений на персональный компьютер с программным обеспечением для анализа, интерпретации и оформления результатов контроля (формирование таблиц, графиков и контурных диаграмм) и др.
На основные технические решения в индикаторах механического напряжения металла ИН-01м получены патенты РФ (приложение Б).
Индикатор механического напряжения металла ИН-01м имеет статический режим измерения и предназначен для контроля НДС металла локального участка сложно-профильных стальных изделий и элементов металлоконструкций, а также для магнитного контроля усилия затяжки резьбовых соединений.
Локальность магнитного контроля металла обеспечивается сравнительно малыми размерами магнитного полюса намагничивающего устройства стержневого типа, в зависимости от которого диаметр контролируемой области металла составляет 10 - 20 мм. Структурная схема индикатора приведена на рис.4.2. Индикатор механического напряжения металла ИН-01м работает следующим образом (рис.4.2). Намагничивание металла стального изделия, металлоконструкции осуществляется постоянным магнитным полем однополюсного намагничивающего устройства 1. Электрическое питание преобразователя с интегральной микросхемой датчика Холла 2 осуществляется постоянным электрическим током от стабилизированного импульсного источника напряжения 3. Для отстройки от влияния температуры окружающей среды и объекта контроля на показания индикатора, усилитель 4 имеет блок автоматической регулировки усиления, управляемый электрическим сигналом, поступающим с выхода датчика температуры, который расположен внутри корпуса интегральной микросхемы датчика Холла 2.
Напряжение с выхода масштабного усилителя 4 поступает на компаратор блока световой индикации 5 превышения уровня сигнала, соответствующего пределу текучести металла, и вход аналого-цифрового преобразователя микропроцессорного контроллера 6. Один из выходов микропроцессорного контроллера 6 соединен с электронной картой памяти 7, другой выход микропроцессорного контроллера 6 соединен с входом алфавитно-цифрового жидкокристаллического дисплея 8.
С помощью программного приложения «ИН-01м связь», предварительно установленного на персональном компьютере, измеренная информация из электронной памяти индикатора механического напряжения металла ИН-01м передается по кабелю и сохраняется в памяти персонального компьютера.
Намагничивающее устройство 1 (рис.4.1) является энергонезависимым, однополюсным, стержневого типа. В нем используются постоянные магниты, изготовленные из редкоземельных металлов. Магнитный полюс намагничивающего устройства защищен накладкой, для обеспечения удобства в процессе работы, ручка намагничивающего устройства снабжена лямкой.
Преобразователь 2 (рис.4.1) индикатора механического напряжения металла ИН-01м предназначен для измерения напряженности поля остаточной намагниченности металла над поверхностью локального участка стального изделия, металлоконструкции. Внутри металлического корпуса преобразователя установлена печатная плата с интегральной микросхемой прецизионного датчика Холла с аналоговым выходом сигнала. Плоскость датчика Холла расположена в центре корпуса преобразователя параллельно рабочей поверхности на удалении 0.5 мм от нее.
