наш телефон:
+7 812 449-27-21
 
8-10 апреля 2014 г. в Подмосковье прошла конференция "Сварочные и…
   

Определение механических напряжений в конструкциях с помощью изделия "Сканер-дефектоскоп магнитоанизотропный "Комплекс-2.05"

(Доклад на НТК "Ашировские чтения" в Нефтетехнологическом факультете Самарского Государственного Технического университета 25-26 октября 2004 года)

Жуков С.В., Жуков В.С., Копица Н.Н.
ООО "Институт "ДИМЕНСтест"
PDF
Усталостные трещины, обусловленные действием переменных нагрузок, развиваются преимущественно в зонах конструкционных и технологических концентраторов напряжений, в том числе в районе углового шва штуцерных и тройниковых сварных соединений, в местах расположения технологических дефектов сварки. Из результатов анализа статистических данных примерно 150 тыс. сварных соединений, эксплуатирующихся на 1500 паропроводах ТЭС с максимальной наработкой до 200-300 тыс. ч., в частности, установлены следующие факторы, вызвавшие 1103 случая повреждений [1]:

— технологический фактор, обусловленный неоднородностью структуры и свойств в зонах сварного соединения - примерно 92-95% повреждений развиваются в разупрочненной прослойке металла и около 5-8% повреждений приходится на металл шва;

— конструкционный фактор - в среднем 95% повреждений отмечается в сварных соединениях с повышенной концентрацией напряжений, к ним относятся штуцерные, тройниковые и стыковые сварные соединения разнотолщинных элементов труб, на долю которых из общего количества сварных соединений на паропроводе приходится 10-20%; около 5% повреждений относится к стыковым соединениям разнотолщинных трубных элементов, и отказы связаны главным образом с экстремальными условиями эксплуатации.

Из приведенной статистики видно, что главными факторами разрушения паропроводов являются неоднородность структуры, повышенная концентрация напряжений, экстремальные условия эксплуатации. Надо понимать, что под "экстремальными условиями эксплуатации" авторы понимали превышение напряжений над номинальным значением.

Неоднородность структуры и свойств твердого тела, а также разнотолщинность элементов в зоне соединения так или иначе ведут ко вполне определенному перераспределению параметров поля механических напряжений. Очевидно, что для достоверной оценки эксплуатационного состояния обследуемого элемента конструкции или изделия необходимо знание именно характера распределения параметров поля механических напряжений.

Такую возможность предоставляет "сканер-дефектоскоп магнитоанизотропный "Комплекс-2.05". Информация, собираемая с его помощью на обследуемом участке, представляется в виде карты разности главных механических напряжений (РГМН), карты распределения коэффициента концентрации механических напряжений (ККМН), карты распределения коэффициента неоднородности РГМН (РКН), карты распределения модуля градиента РГМН и модуля второй производной РГМН [2, 3]. Совместный анализ этих карт дает полную информацию, необходимую для принятия классификационного решения в ситуациях, рассмотренных в [1]. На рис.1 показаны карты РГМН сварного шва хорошего качества и сварного шва, выполненного учеником.
 
 
 Рис.1. Сварные швы, выполненный автоматом (слева) и учеником сварщика (справа).
 
Совершенно очевидно, что для классификации технического состояния этих швов совершенно нет необходимости знать фактические значения уровней РГМН в единицах измерения механических напряжений.

По ряду причин в некоторых лабораториях неразрушающего контроля отсутствуют специалисты с достаточной подготовкой в области теории упругости и сопротивления материалов. В результате рядовые операторы-дефектоскописты таких лабораторий при решении задач дефектоскопии испытывают существенные затруднения в интерпретации образов КМН на картах РГМН и ККМН. Как правило, свои затруднения они объясняют представлением результата диагностирования приборами "Комплекс-2.05" в "относительных" единицах измерения механических напряжений, забывая, что ККМН - главная характеристика опасности -величина безразмерная.

Вместе с тем, существуют задачи, где отображение результата измерений именно в единицах измерения механических напряжений действительно необходимо. Например, при оценке напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкции или при определении предельного уровня нагружения конструкции, в частности, при поддомкрачивании перекладываемых трубопроводов.

В связи с этим, в изделиях "Комплекс-2.05" с версией программного обеспечения контроллера №9 предусмотрена возможность получения результата диагностирования (карт РГМН) со шкалой в единицах измерения механических напряжений при использовании специального программного обеспечения версии №8.06 для ПЭВМ [4,5].

Рассмотрим некоторые особенности алгоритма калибровки прибора.

Основная трудность калибровки магниточувствительных приборов обусловлена магнитомеханическим гистерезисом: градуировочная кривая при нагружении металла не совпадает с градуировочной кривой на участке разгрузки (рис.2), а при нагружении после частичной разгрузки следует по трудно предсказуемой промежуточной кривой. В реальной жизни не известна предыстория напряженного состояния конструкции, т.е. что было до момента измерения - нагрузка или разгрузка. В результате практически все магнитные измерители напряжений использовали некую среднюю градуировочную кривую, что приводило к погрешностям измерений до 100% и более.

 
 Рис.2. Изменение амплитуды сигнала в процессе нагрузки-разгрузки металла.
 
Однако можно предложить алгоритм, распознающий предысторию напряженного состояния, что существенно повышает точность оценки напряжений. Для этого в процессе градуировки прибора каждую ветвь изменения регистрируемого параметра аппроксимируют некоторой функцией арктангенса. Градуировку производят либо на двух различных частотах, либо при двух различных магнитных потоках. Этот алгоритм распознавания рассмотрен в нашем патенте [5].
 
 Тот же принцип может быть несколько упрощен.
 
 Пусть в точке измерения наблюдается сигнал с амплитудой на частоте с фазой :
 
, (1)

где - механическое напряжение.

То есть . (2)
 
 При измерениях в процессе нагрузки-разгрузки металла значения и будут изменяться, как показано на рис.3. При этом ветвь изменения при нагружении (разгрузке) будут строго соответствовать своей ветви изменения , причем эти ветви существенно различаются.



Следовательно, при определенном значении может наблюдаться только одна пара значений и . В этом случае алгоритм идентификации действующего напряжения становится весьма простым:

1. Измерить и

2. По значению получить оценки и напряжения, а по значению - оценки и .

3. Сопоставить разности и .

4. Принять решение:

, если .

, если .

Проверка точности градуировки прибора "Комплекс-2.05" версии №9 с программным обеспечением №8.06 на стали Ст20 по приведенному алгоритму дает относительную погрешность измерения не превышающую 5% в диапазоне от 0 МПа до напряжения текучести стали.



Литература:

1. Ф.А.Хромченко, В.А.Лаппа, Р.Н.Калугин. Диагностика и ресурс сварных соединений паропроводов ТЭС. Часть 1. Анализ эксплуатационных повреждений сварных соединений// Производственно-технический журнал "Сварщик", публ. Интернет http://www.welder.ru/journal/2002-03/2002-03-06-1.htm.
2. Жуков С.В., Копица Н.Н. К вопросу о коэффициенте концентрации механических напряжений и других характеристиках местных напряжений// Электр. Периодич. Изд-е "Техническая диагностика и неразрушающий контроль", публ. Интернет http://www.td.ru/article/articleview/124/1/0.
3. Гурин С.А., Жуков В.С., Жуков С.В., Копица Н.Н. Сканеры-дефектоскопы серии "Комплекс-2": новые модели. //журнал "В мире НК", №2(24), 2004 г., с.31-33.
4. Жуков С.В., Копица Н.Н. Исследование полей механических напряжений в металлических конструкциях приборами "Комплекс-2"// Сб. научн. Трудов отд-я "Специальные проблемы транспорта" Росс. Академии транспорта, №3, 1998, с.214 - 222.
5. Жуков С.В., Жуков В.С., Копица Н.Н. Способ определения механических напряжений и устройство для его осуществления.// Патент РФ, №2195636 от 05.03.01, Бюл. №36, 27.12.02.

Сopyright © 2007
Все права защищены
Санкт-Петербург, Домостроительная ул., д. 2, офис 320 телефон: +7 812 449-27-21
карта проезда
карта сайта