Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

О модернизации технологии электросварки мостовых конструкций и их ультразвукового контроля Музалев Василий Николаевич

О модернизации технологии электросварки мостовых конструкций и их ультразвукового контроля
<
О модернизации технологии электросварки мостовых конструкций и их ультразвукового контроля О модернизации технологии электросварки мостовых конструкций и их ультразвукового контроля О модернизации технологии электросварки мостовых конструкций и их ультразвукового контроля О модернизации технологии электросварки мостовых конструкций и их ультразвукового контроля О модернизации технологии электросварки мостовых конструкций и их ультразвукового контроля О модернизации технологии электросварки мостовых конструкций и их ультразвукового контроля О модернизации технологии электросварки мостовых конструкций и их ультразвукового контроля О модернизации технологии электросварки мостовых конструкций и их ультразвукового контроля О модернизации технологии электросварки мостовых конструкций и их ультразвукового контроля О модернизации технологии электросварки мостовых конструкций и их ультразвукового контроля О модернизации технологии электросварки мостовых конструкций и их ультразвукового контроля О модернизации технологии электросварки мостовых конструкций и их ультразвукового контроля О модернизации технологии электросварки мостовых конструкций и их ультразвукового контроля О модернизации технологии электросварки мостовых конструкций и их ультразвукового контроля О модернизации технологии электросварки мостовых конструкций и их ультразвукового контроля
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Музалев Василий Николаевич. О модернизации технологии электросварки мостовых конструкций и их ультразвукового контроля: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.02.10 / Музалев Василий Николаевич;[Место защиты: ФГБУН Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук], 2016.- 130 с.

Содержание к диссертации

Введение

1 Возможности и проблемы электросварки в мостостроении 10

1.1 К истории электросварки и ее применения в мостостроении 11

1.2 Режимы электросварки и качество сварного шва 14

1.3 Общие данные о структуре металла сварного шва 16

1.4 Дефекты сварных соединений 22

1.5 О методах неразрушающего контроля сварных соединений 28

1.6 Заключение к Разделу

Цель исследования 33

2 О модернизации технологии электросварки мостовых конструкций использованием стеклянной подкладки 36

2.1 Анализ существующего регламента сварки мостовых конструкций 37

2.2 Обоснование модернизации технологии сварки использованием стеклянной подкладки 42

2.3 Анализ качества металла сварных швов, полученных при электросварке на стеклянной подкладке

2.3.1 Механические свойства металла сварных соединений 46

2.3.2 Металлографический анализ 49

2.4 Распределение остаточных напряжений вблизи сварных швов 55

2.4.1 Методика измерений остаточных напряжений в сварных швах 55

2.4.2 О возможностях ультразвукового метода оценки напряжений 60

2.5 Заключение к Разделу 2 63

3 Ультразвуковые методы диагностики сварных мостовых конструкций и обработки сварных швов 65

3.1 Обоснование выбора методики определения напряжений в мостовых конструкциях и диагностики мостовых переходов 66

3.1.1 Современные ультразвуковые приборы и методы 67

3.1.2 Об адаптации ультразвуковой методики анализа упругих напряжений к испытаниям мостовых конструкций 69

3.2 Исследование напряженного состояния мостовых балок 73

3.2.1 Результаты натурного испытания главной балки Южного моста через Томь в г. Томске 73

3.2.2 Результаты натурного испытания главной балки Северного моста через Томь в г. Томске 79

3.3 О целесообразности ультразвуковой ударной обработки сварных швов 82

3.4 Заключение к Разделу 3 87

Заключение и выводы 88

Список использованных источников

Введение к работе

Актуальность диссертационной работы определяется тем, что Федеральной целевой программой «Развитие транспортной системы России (2010–2020 годы)» и Подпрограммой «Автомобильные дороги» предусматриваются мероприятия по научно-техническому и инновационному обеспечению развития транспорта, реализуемые по следующим направлениям:

– совершенствование теоретических основ и расчетных методов эксплуатации автомобильных дорог, экономики дорожного хозяйства, проектирования автомобильных дорог;

– повышение надежности и долговечности дорожных конструкций и конструкций искусственных сооружений, проведение исследований в области создания принципиально новых материалов, конструкций и технологий;

– разработка нового оборудования для диагностики транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог и приборов для осуществления лабораторного контроля качества работ по строительству, ремонту и содержанию дорог и мостов, создание наблюдательных полигонов (стационарных пунктов наблюдения) с целью исследования качества и сроков службы дорожных конструкций.

В рамках ФЦП мостостроение является одним из наиболее важных и сложных элементов бурно развивающегося транспортного комплекса. В 1982–2006 гг. Мостоотрядом 101 Томского филиала ОАО «Сибмост» в Томской области были построены внеклассные мосты через реки Обь, Томь и Чулым. Их создание кардинально изменило транспортную сеть региона и придало ускорение хозяйственному развитию нефтегазодобывающих районов области.

Кроме того, мостовые сооружения по экономическим, социальным и экологическим последствиям, возможным в случае их разрушения, относятся к объектам первого уровня ответственности ( «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений»). Поэтому уже на стадии строительства к ним предъявляются соответствующие жесткие требования. Обеспечение прочности, безопасности и надежности мостовых конструкций является одним из важнейших факторов технической политики, играющим все более ответственную роль по мере повышения напряженности в системах «человек – машина – среда». Этим поддерживается непрерывно растущий разносторонний интерес к научным вопросам физической природы прочности и разрушения сталей, а также расчетно-экспериментальным методам анализа напряженно-деформированного состояния конструкций. Важная проблема, связанная с информативностью и точностью неразрушающих методов оценки состояния технических объектов, приобретает особую остроту для сварных конструкций.

Степень разработанности проблемы. Технология электросварки в мостостроении, родившаяся в 30-е годы ХХ-го столетия и связанная с именами Е.О. Па-тона, Б.Е. Патона, Г.П. Передерия, И.И. Цурюпы, Г.К. Евграфова, Н.Г. Бондаря и других ученых и инженеров, сейчас используется как при строительстве стальных мостов, так и при монтаже конструктивно близких сооружений, уникальность которых диктует необходимость адаптации технологий сварки к конкретным условиям строительства. Для этого необходимо ясное понимание природы процессов, определяющих качество сварного шва. Кроме того, широкое исполь-

зование сварки инициирует прогресс в смежных областях техники – металлургии, электротехнике, неразрушающем контроле. Так, строительство мостов в Сибири и на Дальнем Востоке обострило проблемы многотоннажного производства хладостойких сталей, предназначенных для изготовления металлических конструкций, вынужденных работать при температурах –50 С и ниже.

Современная технология мостостроения требует надежного научно-технического обеспечения на этапах проектирования, сооружения и эксплуатации мостов. Строительство моста является ресурсоемким мероприятием, так что снижение стоимости любой монтажной операции или замена используемых материалов на более дешевые обещает заметный экономический эффект.

Именно эти соображения, определившие актуальность темы диссертации, ориентированной на решение практических задач мостостроения, позволили сформулировать следующую цель работы: обоснование возможности замены при электросварке мостовых конструкций медной подкладки на стеклянную для удешевления процесса монтажа с сохранением высокой прочности соединения, а также модификация метода акустической диагностики напряженно-деформированного состояния металла вблизи сварных швов при строительстве и эксплуатации стальных мостов.

Задачи, которые решались для достижения этой цели:

  1. Обосновать возможность замены медной подкладки на стеклянную в технологии электросварки крупногабаритных мостовых конструкций.

  2. Проверить применимость электросварки на стеклянной подкладке при строительстве стальных мостов и доказать возможность получения с ее помощью высокопрочных сварных швов на мостовых конструкциях.

  3. Экспериментально установить и исследовать корреляционные связи акустических параметров ультразвука (волны Рэлея) и механических напряжений при упругом, упругопластическом и пластическом деформировании стали 15ХСНД непосредственно в ходе нагружения.

  4. Разработать метод акустического неразрушающего тестирования напряженно-деформированного состояния металла вблизи сварных швов мостовых конструкций и доказать его применимость в практике аттестации мостов.

Положения, выносимые на защиту:

  1. Способ электросварки на стеклянной подкладке крупногабаритных мостовых конструкций из легированной стали 15ХСНД, удешевляющий процесс монтажа и обеспечивающий получение неразъемного соединения с прочностью, не уступающей прочности основного металла конструкции - стали 15ХСНД.

  2. Экспериментальное доказательство возможности получения сварного шва с мелкозернистой структурой металла при автоматической электросварке конструкций на стеклянной подкладке.

  3. Научное обоснование применимости ультразвукового метода оценки остаточных напряжений вблизи сварных швов мостовых конструкций в процессе строительства и эксплуатации мостов.

Методы исследования, примененные в работе, включают:

– методы анализа электрических параметров режимов электросварки,

– методы металлографического исследования структуры металлов,

– методы ультразвукового анализа напряженного состояния конструкций.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов обусловлена:

– использованием современных взаимно дополняющих экспериментальных методик анализа структуры и свойств материалов;

– согласованием получаемых результатов с литературными данными и основными положениями строительной механики, металловедения сварочных процессов и акустики;

– успешным практическим применением разработанной методики в строительстве мостов и при контроле их текущего состояния.

Научная новизна работы обеспечена:

– систематическими данными о связи структуры металла сварного шва в легированной стали с условиями замедленного теплоотвода;

– научным обоснованием метода контроля напряженно-деформированного состояния металла вблизи сварных швов мостовых конструкций с использованием измерений скорости поверхностных волн Рэлея;

– обоснованием природы связи между локализацией деформации и изменением скорости ультразвука вблизи сварных швов, выявлением и анализом ее связи с параметрами, характеризующими состояние материала;

– обоснованием принципиальной возможности использования акустического метода диагностики для оценки напряженно-деформированного состояния вблизи сварных швов мостовых конструкций.

Научная ценность проведенных исследований состоит в том, что диссертация вносит вклад в развитие науки о сварке, в частности, в представления о роли тепловых режимов кристаллизации металла в формировании структуры и свойств сварного шва. Эти представления позволяют разработать методы управления структурой металла сварного шва и обеспечить его высокую прочность.

Практическую значимость имеют:

– создание технологии сварки больших стальных ортотропных плит из сталей 15ХСНД и 15ХСНДА на стеклянной подкладке в условиях экстремальных природных температур, которая позволила обеспечить строительный подъем и геометрию пролетного строения заданной формы и размера, механические свойства сварных соединений на уровне основного металла и уменьшение количества сварочных дефектов;

– документация для использования методики оценки напряженно-деформированного состояния и аттестации мостовых конструкций в процессе их эксплуатации по измерениям скорости ультразвука в них, разработанная для Департамента дорожного строительства Томской области;

– закономерности распределения напряжений вблизи сварных швов мостовых конструкций в зависимости от внешней нагрузки и метод ультразвукового контроля состояния мостовых конструкций в целом в процессе их эксплуатации, основанный на учете вклада остаточных сварочных напряжений в общие напряжения в конструкциях.

Личный вклад автора заключается в определении общего направления и цели работы, формулировании ее частных задач, в проведении большинства экспериментальных исследований и обработке их результатов, обосновании

и разработке методики измерения скорости ультразвука в зависимости от действующих напряжений в конструкциях, а также организации работ по применению ультразвуковых методов контроля в практике строительства мостов.

Основные положения диссертационной работы доложены на:

Региональной научно-практической конференции «Транссиб-99», г. Новосибирск, 1999; Научно-производственном форуме «Экологические проблемы и техногенная безопасность строительства, эксплуатации и реконструкции нефтегазопроводов. Новые технологии и материалы», г.Томск, 2005; Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Приборы и методы измерений, контроля качества и диагностики в промышленности и на транспорте», г. Омск, 2013; Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 85-летию со дня рождения профессора Г.М. Рогова «Проблемы инженерной геологии, гидрогеологии, геоэкологии урбанизированных территорий» (Роговские чтения), г.Томск, 2015; Международной конференции «Физическая мезомеханика многоуровневых систем. Моделирование, эксперимент, приложения», г. Томск, 2014; XII Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы развития инновационной деятельности в новом тысячелетии», г. Новосибирск, 2015; Международной конференции «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций», г. Томск, 2016.

По теме диссертации опубликовано 9 статей, в том числе, 3 в журналах, входящих в Перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК, и 2 в зарубежных изданиях, включенных в базы данных Scopus и Web of Science.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, трех Разделов, Заключения, Списка использованных источников из 147 наименований и Приложений. Всего 130 страниц, в том числе 38 рисунков и 5 таблиц.

Дефекты сварных соединений

Размер зерна в зонах сварного шва, формируемого при импульсном режиме, уменьшается в 1,5–2,5 раза, а в ЗТВ в 2 раза по сравнению со стационарным режимом сварки [33]. Распределение легирующих элементов в зоне сварки становится более однородным. Это проверено для Mn и Si с помощью микрорентгенос-пектрального анализа, проведенного на установке «Camebax microbeam» методом поверхностного сканирования при ширине электронного зонда 2 мкм, шаге измерения 20 мкм, ускоряющем напряжении 20 кВ (излучение Mn K – и Si K). Полученные данные свидетельствуют о выравнивании распределения Mn в сварном соединении при импульсном режиме и о значительном угаре Mn в околошовной зоне при стационарном режиме сварки. Распределение Si меняется незначительно. Это приводит к росту усталостной прочности. Так испытания образцов при повторно-переменном нагружении, проведенные на сварных соединениях кремний-марганцевой стали 17Г1С в области ЗТВ и сварного шва при динамическом на-гружении на машине «Hydropuls» фирмы «Schenk» (растяжение, 400 МПа, 10 Гц), показали, что число циклов до разрушения повышается после импульсно-дуговой сварки в 1,4 раза в области ЗТВ и в 1,7 раза в металле шва [33] по сравнению со сваркой в непрерывном режиме [34].

Улучшение структуры сварного шва и повышение его прочности при оптимизации электрических параметров электросварки отмечаются и другими авторами [35–40]. Основными факторами, влияющими на механические свойства сварного шва, в этом случае являются измельчение структуры [41] и уменьшение уровня остаточных напряжений [42, 43], инициирующие переход материала в более равновесное состояние.

В основе процесса сварки лежит расплавление и последующая кристаллизация металла в зоне сварного шва. При сварке стали температура сварочной ванны достигает 1800-2300 С [20], что намного выше температур плавления и кристаллизации сталей (температура плавления чистого железа 1535 С [19]). Явления плавления, кристаллизации и диффузии, протекающие в металле при формировании сварного шва в стали, фактически подобны сталеплавильным [44], но с существенным отличием, которое состоит в много меньшем объеме расплавляемого металла и существенно более быстром протекании процесса «плавление - затвердевание». Это порождает неоднородность в распределении температур и концентраций легирующих элементов [21]. По мере удаления от центра сварочной ванны температура жидкого металла снижается и вблизи кромок становится близкой к температуре кристаллизации. В хвостовой части ванны температура жидкого металла на границе с твердым ниже, чем в головной и в центральной. Поэтому кристаллиты расплавленного и затвердевшего металла обычно вытянуты вдоль оси шва и направлены под острым углом к стенкам [20]. Эти различия делают невозможной прямую аналогию между кристаллизацией сварочной ванны, и формированием металлического слитка, и заставляют учитывать необычные для «большой» металлургии температурно-скоростные условия кристаллизации.

Кратковременность процессов расплавления и затвердевания металла при сварке приводит к тому, что при характерном размере ванны l 10 2 м и коэффициенте диффузии примесей в расплавах D - 1(Ґ см2/с [45, 46] время выравнивания концентрации составляет t l2/2D 5\03 с, что много больше времени локальных расплавления и кристаллизации. Следовательно, процесс сварки неминуемо приводит к изменениям структуры соединяемых объемов металла по сравнению с их исходными свойствами в состоянии поставки. По этой причине все варианты изменения режимов сварки способны лишь в той или иной степени уменьшить влияние расплавления и затвердевания металла в ходе сварочного процесса на структуру металла сварного шва и ЗТВ. Наиболее существенными факторами, вызывающими структурные изменения металла при сварке, являются процессы плавления и кристаллизации расплава [47, 48] в сварочной ванне, а также процессы термического влияния (термической обработки) в окружающем металле, не подвергавшемся расплавлению [49]. Таким образом, сварка представляет собой быстропротекающий вдали от термодинамического равновесия процесс со сложными режимами подвода энергии извне, ее использования при расплавлении, а также комплексными процессами кристаллизации и диффузии, связанными фазовыми превращениями в неравновесных условиях [50].

Известны попытки определить расчетным путем параметры термических процессов при сварке на основе решения уравнений теплопроводности, учитывающих эффекты плавления и кристаллизации [51], как это было сделано, в частности, в [52–55]. Ввиду сложности процесса сварки к использованию оценок такого рода следует подходить с осторожностью, поскольку при их выполнении никогда не удается учесть влияние всех факторов.

По этим причинам следует признать, что наиболее важная информация о процессе сварки стали и его результатах получается металлографическими методами высокого разрешения структуры [49, 56–58] и их сравнением их результатов с данными диаграммы состояния «железо – углерод». Эта диаграмма представлена на рисунке 1.3. В рамках задач настоящего исследования наибольший интерес представляет «железный угол» диаграммы, то есть, сплавы Fe-C с содержанием углерода не более 0,20 масс. % (низкоуглеродистые стали). С целью повышения прочности в состоянии поставки эти стали обычно содержат кремний и марганец в концентрации 1,0–2,0 %, что лишь незначительно смещает положение линий на диаграмме Fe-C [19]. Это делает диаграмму «железо – углерод» приемлемой для интерпретации наблюдаемых структур и описания превращений в стали при нагреве и охлаждении.

Анализ качества металла сварных швов, полученных при электросварке на стеклянной подкладке

Принятая технология обеспечивала получение металлических конструкций пролетного строения заданной формы и размеров с отклонениями в пределах норм СНиП-43–75 и СНиП-18–75 с требуемым сочетанием механических свойств (прочность, пластичность, вязкость, хладостойкость и сопротивление усталости). Стальные конструкции пролетного строения моста монтировались в соответствии с документацией, выполненной проектной организацией. Монтаж пролетного строения на всех стадиях осуществлялся при тщательном пооперационном контроле, обеспечивающем исполнение требований проекта и принятой технологии выполнения монтажных соединений. Монтаж элементов пролетного строения выполнялся в соответствии с монтажной схемой и проектом производства работ. Главные требования к технологии автоматической сварки были следующими.

Чтобы обеспечить высокую производительность труда, сварка плит толщиной до 16 мм производилась без разделки кромок. Толщина свариваемых кромок была (12 + 12) и (12 + 16) мм. Зазор между свариваемыми кромками устанавливался 8–10 мм. Толщина нижних поясов главных балок составляла 32–40 мм. Сварка производилась аппаратами ТС-30 на постоянном токе обратной полярности с применением проволоки 4 мм и крупки 2 мм марки 10 НМА под флюсом АН-47 по ГОСТ 9087–69. Электрические режимы автоматической сварки вставок верхних поясов главных балок ортотропных и консольных плит режим для первого второго проходов приведены в таблице 2.3. Перед сваркой свариваемые кромки подогревались. Таблица

1. Плиты при сварке укладывались на выверенные стенды, зачищались их свариваемые кромки, ставились прихватки и выводные планки, под стык подкла-дывалась медная подкладка. После засыпки крупки и подогрева свариваемых кромок заваривался корневой шов, после его зачистки и удаления обнаруженных дефектов (прожог, несплавление, поры) проводился второй проход сварки. Де-планацию (смещение между двумя свариваемыми элементами, при котором их поверхности располагаются параллельно, но не на требуемом уровне [82]) измеряли щупами; она не превышала 0,5 мм.

2. Применявшийся флюс АН-47 состоял из однородных по строению зерен без включений инородных частиц, в том числе нерастворившихся частиц сырьевых материалов. Флюс перед сваркой прокаливался в специальных печах при 400–450 С не менее 2 ч. Прокаленный флюс хранился на подогреваемых поддонах. На рабочем месте прокаленный флюс хранился в закрытой таре в количестве, необходимом для сварки одного шва. Каждая партия флюса имела сертификат и дополнительно проверялась при сварке образцов-свидетелей.

3. Партии электродов имели сертификаты и паспорта с указанием свойств. Электроды хранились в сухом помещении, а перед использованием подвергались прокалке (350 С в течение 2–3 ч). Прокаленные электроды хранились в шкафу при температуре 120 С. На рабочих местах прокаленные электроды находились в специальных металлических пеналах, исключающих увлажнение и механические повреждения.

4. Монтаж (сборку и сварку) пролетного строения выполняли на подмостях, не допускающих перекосов и просадок. Геодезический контроль выполнялся пооперационно. Изготовление монтажной секции производилось путем последовательной сборки, прирезки и сварки. Технология обеспечивала хорошее качество сварки, требуемые геометрические размеры швов и механические свойства сварных соединений. Соблюдение технологии систематически контролировалось. Автоматическая сварка верхних ортотропных плит из сталей 15ХСНД и 15ХСНДА выполнялась на режимах с погонной энергией не более 4,2106 Дж/м. В некоторых случаях рекомендуемые режимы сварки корректировались до 10 % по величине тока и скорости сварки и до 5 % напряжения на дуге. Корректировка производилась на образцах до начала сварки монтажных соединений.

5. Для монтажных соединений, выполняемых ручной дуговой сваркой, при менялись электроды УОНИ 13/55 [123]. Сварку производили на постоянном токе обратной полярности. Ручная дуговая сварка покрытыми электродами применя лась для: – постановки прихваток при сборке стыков под сварку; – сварки нижних поясов главных балок; – сварки роспусков угловых швов в зоне монтажных соединений; – заварки дефектных мест после удаления обнаруженных дефектов.

6. Стыки нижних поясов главных балок подрезались и собирались с V-образной разделкой с углом раскрытия 60 и зазором не менее 4 мм. После постановки и зачистки прихваток снизу на скобах плотно поджималась стеклянная подкладка. Производился предварительный подогрев и заварка корневого шва. Сварочный ток при использовании электродов 3 мм составлял 80–110 А, а при использовании электродов 4 мм – 130–160 А.

7. После окончания сварки проводился контрольный осмотр сварных швов с последующим устранением обнаруженных дефектов и подготовка швов под ультразвуковой контроль (УЗК). По данным УЗК проводился ремонт дефектных мест, после чего осуществлялся вторичный контроль. При сборочно-сварочных работах не допускались отступления от СТП 005-97 инструкции по сварке.

Из сказанного следует, что технология монтажа и сварки мостовых конструкций при строительстве жестко регламентирована. Эта регламентация, безусловно, оправдана и определяется, в первую очередь, высокими требованиями к качеству строительства, призванными обеспечить безаварийную эксплуатацию моста в течение длительного периода. В то же время она препятствует внесению каких-либо изменений в технологический процесс сварки даже в случае их очевидных преимуществ и перспектив.

Современные ультразвуковые приборы и методы

В последние годы при исследовании физических свойств и структуры твердых тел большее внимание стало уделяться тем акустическим неразрушающим методам, которые основаны на измерении малых изменений скорости распространения упругих волн [108] и анализе поглощения упругих импульсов при изменении состояния изучаемого материала [139]. Эти методы позволяют непрерывно следить за ходом различных структурных превращений, происходящих в металлах и сплавах, что, в свою очередь, делает эти их пригодными для нераз-рушающего контроля структуры и свойств материалов. Наиболее существенно, что методы, основанные на измерениях скорости ультразвука, являются принципиально неразрушающими, чем выгодно отличаются даже от методов акустической эмиссии [101, 104–107]. Можно сказать, что контроль механических свойств материалов подобными акустическими методами – одно из важнейших современных направлений неразрушающего контроля качества материалов, деталей, изделий и конструкций. Он основан на взаимосвязи физико-механических, технологических, структурных характеристик материалов и изделий с их акустическими характеристиками, в частности, со скоростью распространения ультразвука [9, 108].

В данной работе в качестве информативного параметра для контроля напряженно-деформированного состояния металлических мостовых конструкций, необходимого для прогноза их работоспособности и оценки возможности дальнейшей безаварийной эксплуатации, были выбраны малые изменения скорости распространения ультразвука [108, 110-113]. Соответствующая методика контроля основана на чувствительности скорости распространения упругих волн (волн Рэлея) в металлах к структуре и наличию микроповреждений. Однако, как говорилось выше, этот метод требует измерения скорости звука с точностью не хуже 10 , что практически недостижимо с помощью традиционно применяемых в интроскопии методик измерений, основанных на импульсном, импульсно-фазовом и резонансном способах измерения скорости звука. Наиболее чувствительным является фазовый метод измерения скорости распространения поверхностных волн Рэлея. Однако он очень сложен в настройке и реализации. К тому же достигаемая точность измерения во всех перечисленных случаях не лучше, чем 2-Ю"2.

Для решения поставленных в настоящем разделе задач был использован прибор ASTR, разработанный в ИФПМ СО РАН, предназначенный для измерения скорости ультразвука и описанный выше в Разделе 2. Его конструкция предусматривает возможность измерения скорости распространения ультразвука методом автоциркуляции ультразвуковых импульсов [109], а использование некоторых программных решений [134] обеспечивает требуемую точность измерения скорости звука. В приборе ASTR используются поверхностные волны Рэлея с несущей частотой v = 2,5 МГц. Глубина их проникновения в металл составляет (1-2)А, [114], где X=VR/v 0,9Vt/v \,2 мм - длина волны, а Vt = 3325 м/с номинальное значение скорости поперечных ультразвуковых волн в стали [114]. Такой глубины проникновения вполне достаточно, чтобы метод был чувствительным к распределению внутренних макронапряжений [7, 78, 92]. Ультразвуковые колебания возбуждаются и принимаются с помощью пьезопреобразователей из титаната бария, размещенных на расстоянии S = 33 ± 0,5 мм друг от друга в корпусе, залитом компаундом. На дисплее прибора отображается измеряемое с точностью 10"5 значение частоты автоциркуляции ультразвуковых импульсов f, которое связано со скоростью распространения волн Рэлея соотношением VR = Sf.

Представления о физической природе связи напряжений и скорости распространения ультразвука сформулированы и детально объяснены в работах [108, 110–113]. Результаты этих исследований определили принципиальную возможность оценки напряжений акустическим методом по экспериментально установленным корреляционным зависимостям VR -s.

Для решения рассматриваемой задачи анализатор ASTR обладает рядом очевидных достоинств и преимуществ перед другими приборами. Он: – значительно проще и дешевле перечисленных выше аналогов; – позволяет давать заключение о состоянии металла конструкции или детали и ее ресурсе работы на основании небольшого числа измерений; – обладает высокой точностью при измерении скорости распространения поверхностных волн Рэлея – основного информативного параметра рассматриваемого метода; – в варианте со встроенным источником питания применим для использования практически в любой обстановке, как показано на рисунке 3.1.

Использование анализатора ASTR в рамках развиваемого в настоящей работе метода определения остаточных напряжений в мостовых конструкциях, в том числе, сварных, обеспечило: – возможность надежного обнаружения начальной стадии накопления повреждаемости в металлах, не определяемой с помощью серийно выпускаемых ультразвуковых, электромагнитных, вихревых дефектоскопов; – оперативное получение квалифицированного заключения о состоянии и ресурсе работы [133, 134] металлоконструкций в процессе эксплуатации; – возможность локализации и предсказания места зарождения разрушений в узлах деталей и конструкций по данным анализа акустических параметров объекта [4, 140]; – возможность получения информации о структуре сталей и сплавов (в том числе и на работающем оборудовании); – возможность контроля качества и прочностных показателей металла для достоверного прогноза фактического ресурса металлоконструкций на основе применения существующих методик оценки этой величины [2].

Применимость ультразвукового метода для оценки состояния сварных швов в мостовых сталях была проверена в экспериментах по определению зависимости частоты автоциркуляции (скорости распространения волн Рэлея) от расстояния от центра сварного шва. Результаты этого эксперимента, показанные на рисунке 3.2 для четырех образцов, подтверждают достаточную чувствительность метода и указывают на корректность его использования при решении подобных задач. Обращает на себя внимание симметрия полученных зависимостей, служащая косвенным подтверждением правильности методики оценки скорости.

Результаты натурного испытания главной балки Южного моста через Томь в г. Томске

Общей причиной таких изменений структуры и свойств является акустопла-стический эффект, природа которого достаточно изучена [142] и который часто используется в технике [143]. Акустопластический эффект ускоряет ход термически активированных процессов пластической деформации при действии высокоамплитудных ультразвуковых колебаний, сопровождающемся нагревом материала. Нагрев интенсифицирует рождение дефектов кристаллической структуры – вакансий и дислокаций [5, 42]. Последние являются носителями пластической деформации и активируют процессы релаксации остаточных напряжений. Многократное повторение циклов нагружения при ультразвуковой ударной обработке усиливает эффекты такого рода.

Для уточнения представлений о природе и возможностях эффекта он был промоделирован приложением статического усилия к образцу со сварным швом по режиму «нагружение-разгрузка». Результат такого эксперимента показан на рисунке 3.13, из которого следует, что даже при одноцикловом воздействии можно несколько снизить уровень остаточных напряжений (двойная стрелка на рисунке 3.13). Разумеется, применение ультразвуковой обработки в таком случае может быть существенно более эффективным.

Проведенные эксперименты и их анализ указывают на эффективность ультразвуковой ударной обработки применительно к сварным соединениям в сварных мостовых конструкциях. По мере удаления от обрабатываемой поверхности уменьшается степень пластической деформации и уровень измельчения зерен, так как снижается температура нагрева, но увеличивается величина наклепа, поэтому значения микротвердости возрастают вплоть до ее максимального значения. На еще большем удалении от поверхности зерна продеформированы незначительно, а микротвердость снижена до уровня необработанной стали. В результате ультразвуковой ударной обработки в первой и второй зоне, как показано на рисунке 3.12, меняется знак остаточных напряжений. по пути 0 300 0 Н Таким образом, проведенные на сварных соединениях стали 15ХСНД исследования показали, что ультразвуковая ударная обработка приводит к следующим двум эффектам: – деформационному упрочнению и измельчению зерна в приповерхностных объемах в зоне сварки; – перераспределению остаточных напряжений в сварном шве и зоне термического влияния и изменению их знака с растягивающих (+) на сжимающие (-).

В результате такой обработки прочность сварных соединений повышается до уровня основного металла. Поэтому применение ультразвуковой ударной обработки в сочетании с контролем величины напряжений ультразвуковым методом, несомненно, целесообразно для сварных швов мостовых конструкций работающих в условиях знакопеременных нагрузок. В перспективе такая обработка после сварки может способствовать повышению надежности сварного соединения, получаемого методом электросварки. Применение ультразвуковой ударной обработки в сочетании с контролем величины и знака остаточных напряжений методом измерения изменения скорости ультразвука целесообразно при изготовлении и ремонте сварных металлоконструкций работающих в условиях циклических нагрузок.

Предлагаемая методика и ее приборное обеспечение могут значительно упростить измерения, ускорить проведение различных испытаний металлических сооружений, как в процессе строительства, так и в процессе эксплуатации без потери точности.

Анализ работы сложно нагруженных мостовых конструкций с применением метода акустического контроля позволил провести мониторинг таких сложных объектов, как мосты в процессе эксплуатации, без остановки движения по ним. Установлено, что по мере изменения интенсивности движения и, соответственно, нагрузки, вид эпюры нагружения существенно меняется, но значения максимальных напряжений не превышают допустимых. Выбросы напряжений локализованы вблизи сварных швов.

Разработанный метод позволяет контролировать состояние металла мостовых сооружений, проработавших под нагрузкой многие годы, что особенно актуально для автодорожных и железнодорожных металлических мостов давних лет постройки. Для этих целей на основании проведенных исследований предложена «Методика определения остаточных механических напряжений в стальных элементах мостов» (Приложение 1).

Попытка применения к металлу сварных швов ультразвуковой ударной обработки показала перспективность этого метода для улучшения свойств соединенных электросваркой мостовых конструкций. С его помощью выгодным образом может быть улучшена структура металла в околошовной зоне и снижен уровень остаточных напряжений. В пользу этого вывода говорит снижение микротвердости металла в зоне сварки после ультразвуковой обработки и изменения микроструктуры металла в материале шва и зоне термического влияния.

Применение сварки при строительстве мостов и аналогичных ответственных инженерных сооружений не может рассматриваться, как чисто техническая проблема [11, 12], потому что любые неудачные решения в этой области могут иметь далеко идущие катастрофические последствия [136]. Надежностью функционирования мостовых сооружений определяются вопросы стратегического уровня, такие, как обороноспособность, работа практически всех видов транспорта, добыча и перевозка полезных ископаемых, освоение высокоширотных районов и другие стороны жизни. Особенную важность приобретают эти проблемы в России с ее огромными северными территориями. По этим причинам технологии строительства мостов должны непрерывно совершенствоваться, а правила их эксплуатации ужесточаться.

Бесспорно, мостостроение всегда будет рассматриваться как задача государственной важности. Прогресс в этой области определяется с одной стороны государственной политикой, а с другой – проектно-изыскательскими и проектными работами. В совокупности это определяет экономику и географию развития путей сообщения [144].

Надежность эксплуатации мостов во многом определяется прочностью материалов для мостовых конструкций и их опор, их устойчивостью к природным воздействиям и способностью выдерживать высокие нагрузки, сложным образом меняющиеся со временем [2–4]. Технология электросварки в мостостроении критична для этой отрасли [25]. Прочность сварных соединений в бльшей мере, чем прочность свариваемого металла, определяет надежность мостовых конструкций при эксплуатации и разнообразных природных воздействиях, в том числе экстремального характера, обеспечивая тем самым многолетнюю безаварийную эксплуатацию сооружения.

Фактически для каждого моста мероприятия по предотвращению катастроф природного или техногенного происхождения начинают реализоваться еще на стадии строительства. Они во многом связаны с контролем качества сварки ме 89 таллических конструкций [11]. Это качество определяет безаварийность функционирования мостов, в том числе, в экстремальных условиях. Особую опасность представляет поведение мостовых конструкций при аварийных ситуациях, природа которых не всегда подается научному анализу и рациональному объяснению [137]. По этой причине контроль качества сварных швов фактически уже стал неотъемлемой частью технологии мостостроения. При использовании в строительстве мостов высокопрочного напряженного металла необходимо задумываться и о не совсем обычных последствиях возможного разрушения. При большом физическом объеме конструкции энергия деформации, выделяющаяся при ее разрушении, сравнима с энергией взрыва, на что обратил внимание еще автор [145]. Так, например, при упругой деформации є 0,1 (10 %) плотность упругой энергии, запасенной в стальной конструкции, 1/2є2 109 Дж/мЗ = 103 Дж/см3 сравнима

с энергией, выделяемой при взрыве 1 см3 тринитротолуола ( 4,2Т03 Дж) [146]. Это, естественно, создает дополнительную опасность при возможном разрушении.

В силу этих соображений важность вопросов прочности и надежности сварных соединений, рассмотренных в диссертационной работе, трудно преувеличить. Как показано в настоящей работе, это определяет также необходимость глубоких структурных исследований металла при разработке технологий электросварки при строительстве мостов [147].