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

Освоение нового метода диагностики сварных металлических конструкций на ФГУП "МП "Звездочка"
Главный технолог ФГУП "МП "Звездочка" М.И. Генин
Начальник ЦЗЛ А.В. Тентлер
Руководитель сл. НКиИ в ЦЗЛ В.Е. Подольский
Инженер ЦЗЛ Розонов А.А.

Федеральное государственное унитарное машиностроительное предприятие "Звездочка", одна из ведущих российских верфей, почти полвека специализируется на ремонте, строительстве и модернизации подводных лодок, надводных кораблей. Корабелами "Звездочки" накоплен большой практический опыт по строительству и восстановлению сварных металлических конструкций, продлению их срока службы.



Рис.1. Панорама ФГУП "Звездочка".

В средней части фотографии видны те самые стрелы кранов, о которых пойдет речь ниже. Многие сталкиваются с вопросами прочности и пластичности материалов в твердом состоянии. Но решение этих вопросов и многие другие проблемы современного металловедения нельзя рассматриваются без представления о дислокациях, их зарождении, движении, взаимодействии и распределении в кристаллах металлов и сплавов. Если есть дефекты, то есть отклонения от идеального порядка атомной структуры. Не только конструкционный металл, но и любой кристалл заполнен дефектами различных видов. Дефекты понижают прочность кристалла в сотни и тысячи раз. Если приложить к кристаллу внешнюю силу, то его дефекты, и, прежде всего, дислокации, начнут двигаться по кристаллу. По мере того, как растет деформация кристалла, растет и число дислокаций в нем. Движущей силой процесса перестройки дислокаций является стремление перехода полной энергии дислокации к минимуму энергии. Она складывается из энергии отдельных дислокаций и энергии их взаимодействия. При деформации материала возникает движение дислокаций. Т.е. идет процесс разрушения, другими словами идет процесс образования микро или макротрещин.

Для примера возьмем участок сварного шва в состоянии начала процесса его разрушения. Картограммы сняты прибором "Комплекс 2-05".

На карте (рис.2) распределения коэффициента концентрации механических напряжений (КМН) в точках {5; 4.5} и {5; 8}, расположенных на сварном шве, видны значительные концентраторы напряжения, отличные от концентраторов в основном металле. Они отличаются в 5 и более раз.



Рис.2. Типичная карта КМН области сварного шва (сварной шов проходит между 4 и 6 горизонтальными линиями координатной сетки).

В этом можно убедиться на следующей карте, где разрыв уже произошел, но еще не завершен (рис.3). Как видно, в месте раскрытия трещины произошел спад уровня коэффициента концентрации напряжений. Здесь он равен единице. А на участке {5; 7} коэффициент концентрации весьма высок. Хотя на рентгеновском снимке уже видна трещинка, но она продолжает расти, и, скорее всего, трещины соединятся между собой и непроваром.



Рис.3. Карта КМН того же участка сварного шва, снятая в процессе роста трещины.

На рентгеновском снимке, выполненном в электронном виде, прибором ПЦРК-200Д, видны 2 трещины, (одна продольная, вторая поперечная) непровар со шлаковым включением (рис.4).



Рис.4. Рентгенограмма того же участка сварного шва.

На карте (рис.5) разности главных механических напряжений (РГМН) видно кромку скольжения, где также может произойти разрушение из-за большого градиента напряжений (РГМН).



Рис.5. Карта РГМН того же участка сварного шва.

Для зарождения трещины необходим соответствующий концентратор напряжений, то есть место зарождения серии дислокаций, скопливаюшихся у жесткого барьера (например, инородного включения: карбида, оксида и пр.). Работу разрушения задают при этом, по крайней мере, два параметра: напряжение рождения пор на включениях и деформация до их слияния. На Рис. 7 показана такая ситуация.





Рис. 7. При проведении капиллярной дефектоскопии обнаружены поры размером по 0,2 мм.

То и другое каким-либо образом определяют инородные включения. Они трудно обнаруживаются (потому что их мало), их параметры сложно измерить (потому что они, как правило, малы), и по этим причинам они трудно контролируемы в технологии. Но они практически всегда есть потому, что примеси неизбежны по способу получения материала. Тот факт, что в протоколах контроля они не всегда указываются объясняется просто: по размерам инициирующие дефекты могут быть недоступны традиционным методам дефектоскопии.

Конструкций без дефектов не бывает. Поэтому один из старых путей повышения надежности металлических конструкций состоял в том, чтобы узнать, при каких размерах дефекта (предельные деформации) и вязкости (работа разрушения) сплавов следует прекратить эксплуатацию конструкции. Это путь повышения достоверности результатов расчета. Однако между результатами расчетов и работой реальных конструкций не всегда достигается приемлемое согласие.

Но возможен и другой, новый путь. Коль скоро для зарождения трещины необходим соответствующий концентратор напряжений, то есть источник серии дислокаций, скопившихся у жесткого барьера, то можно физическими методами на реальной конструкции ликвидировать этот самый концентратор, например, принудительно снизив концентрацию дислокаций.

На нашем предприятии применяются практически весь спектр неразрушающего контроля. Это и ультразвуковая толщинометрия, дефектоскопия, магнитная дефектоскопия, рентгено-гаммадефектоскопия, поверхностные металлографические исследования и визуальный контроль. Применение методов неразрушающего контроля тесно связаны с повышением надежности и безопасности конструкций. В настоящее время технологии по определению технического состояния изделий направлены на применение дефектоскопии - поиск дефектов в виде трещин, пор, шлака, непроваров, несплавлений и других несплошностей, т.е. на определение параметров дефектов (координат, форм и их размеров).



Рис.8. Блок измерений прибора "Комплекс-2.05".

Однако выявление (обнаружение) дефектов традиционными методами является обязательным, но недостаточным условием для определения опасных концентраторов напряжений.

Как известно, чем больше площадь дефекта, тем, как правило, меньше необходима сила, которая разрушит изделие. Степень опасности для наиболее типичных дефектов определяется проектной организацией эмпирическим или расчетным путем, т.е. путем сравнения бездефектного участка с дефектным участком. Но дефектоскопия, как таковая, не дает ответа на вопрос об опасности или неопасности выявленных дефектов, а только лишь фиксирует их наличие. В то же время полученные параметры обнаруженных дефектов в расчетах о состоянии изделий фактически не используются. Проектные организации разрабатывают "Правила контроля", которые оговаривают допустимость в изделии дефектов по типу, размеру и их количеству. Расчет прочности конструкции с дефектом достаточно сложная задача, поэтому наличие "допустимых" дефектов определяется в основном, как было отмечено выше, на основе статистики испытаний, эмпирическим путем.

При всех видах производства и эксплуатации металлических изделий актуальным является комплексный контроль, как контроль качества сварки, так и ремонтно-восстановительные работы.

Прибор "Комплекс- 2.05" (рис.8) является прибором нового поколения. Он позволяет получать достаточный объем информации для оценки качества, как сварных соединений, так и основного металла путем анализа прямой информации (величины коэффициентов концентрации механических напряжений на контролируемом участке и др.), а не косвенной. Разработчик прибора создал прибор, определяющий местные концентраторы механических напряжений (КМН) и градиент разности главных механических напряжений (РГМН). Выбор обусловлен тем, что для упруго-пластичных материалов (каковыми являются конструкционные стали) справедлив так называемый третий критерий прочности (критерий Треска). По этой причине карта РГМН, по сути, наглядно описывает не только параметры распределения поля механических напряжений, но и прочностной образ исследованного участка металла.

При использовании обычных дефектоскопов по измеренным размерам и координатам дефекта с помощью исключительно теоретических модельных представлений только в некоторых случаях можно вычислить значения КМН и градиенты РГМН, по которым судят о степени опасности дефектного участка конструкции. В отличие от известных технических средств, прибор Комплекс 2.05 оценивает результат не путем математических расчетов, согласно какой-либо модели материала и дефекта, а непосредственно по параметрам возмущения физического поля, т.е. для дефектов с любыми параметрами. Это исключает субъективизм оценок, ошибки модельных представлений и вычислений, упрощает достижение конечной цели подобного исследования - получение распределений РГМН и КМН. Если в зоне измерений имеется дефект, не создающий существенного возмущения поля механических напряжений (т.е. не являющийся концентратором напряжений), то он не будет заметен на картах РГМН и КМН. В то же время, любой концентратор механических напряжений независимо от его размеров (зародыш будущего дефекта, не обнаруживаемый методами традиционной дефектоскопии) будет обнаружен на картах РГМН и КМН. Поскольку необходимыми и достаточными условиями разрушения упругопластического тела являются наличие КМН и высокого значения градиента РГМН, появляется возможность классифицировать выявленные КМН по степени их опасности прямыми экспериментами.

По картам концентраторов напряжений можно проводить диагностику. Для наглядности данного утверждения рассмотрим пример. Крановщик плавучего завода, во время подъема груза, заметил, как отскочил кусочек краски со стрелы в районе сварного шва, о чем доложил вахтенному начальнику. Командир завода вызвал дефектоскопистов УЗК и ГЖК.



Рис.9. Карта КМН "подозрительного" участка стрелы крана при начальном обследовании.

Участок стрелы был тщательно обследован на предмет наличия дефектов. Ультразвуком был обнаружен небольшой, проходной дефект (дефект, допустимый согласно действующим нормам) в виде поры на сварном шве. Других дефектов не обнаружено.

В виду того, что через неделю должна быть осуществлена перегрузка особо опасного груза, стрелу обследовали прибором "Комплекс-2.05". В результате контроля были получены карты (см. рис.9), по которым можно с уверенностью сказать, что в районе сварного шва начался процесс разрушения стрелы. Как видно из карты КМН появилась V-образная зона с повышенными концентрациями местных напряжений. Коэффициент КМН достиг величины до 4,36 (в безопасной зоне коэффициент КМН должен быть близок к единице) . Основной металл зоны имел участки с концентраторами, коэффициенты КМН на которых в среднем составили 1,33 единицы. Ввиду обнаружения участка с высокими местными КМН и градиентами РГМН, было принято решение о дальнейшем контроле данного участка в течение недели прибором "Комплекс 2-05" (краткосрочный мониторинг). Но, как обычно бывает, то кран занят работой, то крановщика нет, то еще что-то, но проверка данного участка по разным причинам была проведена только через 5 дней после первой проверки.



Рис.10. Карта КМН того же участка стрелы крана при обследовании по истечении 5 суток.

За это время коэффициент КМН одного из концентраторов увеличился от 4,36 до 6,57 единиц, что само по себе (увеличение) уже представило основание для опасения за техническое состояние конструкции (рис.10). Кроме того, тревогу вызвал достигнутый уровень коэффициента КМН: из проведенных ранее опытных работ мы для себя установили опасную величину в 5 единиц. И, наконец, самое главное - увеличился градиент РГМН, т.е. скорость перехода от минимума к максимуму напряжений на единице длины конструкции.

Результаты замеров, с рекомендацией о прекращении работы крана, были представлены командиру завода. Командир принял решение заменить стрелу левого борта, на стрелу правого борта. Перемещение стрелы правого борта проводилось стрелой с выявленными дефектными участками. В результате перемещения груза (стрелы), стрела погнулась именно там, где и было указано в заключении.

Но сама стрела - относительно "безопасный груз". Ее разрушение не привело к трагическим последствиям, которые могли бы последовать в случае ее применения для перемещения "планового", опасного груза.

Таким образом, своевременное применение прибора "Комплекс-2.05" позволило обнаружить нарушение эксплуатационной пригодности стрелы крана еще до обнаружения этого опасного состояния другими, традиционными методами дефектоскопии и предотвратить серьезную аварию.



Литература:

1. Уотерхауз Р.Б. Фреттинг коррозия / Л.: Машиностроение, 1976 г.
2. Георгиевская Е.П. Кавитационная коррозия /Л.: Судостроение, 1978г.
3. Козлов Э.В., Теплякова Л.А., Конева Н.А. и др. Роль твердорастворного упрочнения и взаимодействий в дислокационном ансамбле в формировании напряжения течения азотосодержащей аустенитной стали // "Изв. вузов. Физика". 1996. № 3. С. 33
4. Воскресенский И.Н. Коррозия и эррозия судовых гребных винтов/ М.: Судпромгиз, 1949
5. Петров Л.Н. Сопрунюк Н.Г. Коррозионно-механические разрушения металлов и сплавов/ Киев: Наукова думка, 1991 г.
6. Ажогин Ф.Ф. Коррозионное растрескивание и защита высокопрочных сталей/ М.: Металлургия, 1974г.
7. Электрогидроимпульсная обработка металлических конструкций для снятия остаточных напряжений//Интернет-публикация http://iipt.in.mk.ua/prod05.htm
8. Жуков С.В., Копица Н.Н. Исследование параметров полей механических напряжений в металлических конструкциях приборами "Комплекс-2"// Сб. научн. Трудов, Академия Транспорта, Отд-е "Спец. проблемы транспорта", 1999, с.214-223
9. Хмелевская В.Б., Леонтьев Л.Б., Лавров Ю.Г. Технология восстановления и упрочнения деталей судовых механизмов и триботехнические характеристики полей/ СПб.: СПГУВК, 2002г.
10. Штефан В.В. Тентлер А.В. Подольский В.Е. //Управление уровнем концентраторов механических напряжений деформированного состояния в стальных конструкциях// Журнал "Контроль. Диагностика", №7 2003 г. с.61-64
11. Овсиенко А.Н. Серебряков В.И. Гаек М.М. Технологическое обеспечение качества изделий машиностроения/ М.: "Станкин", МГТУ, 2003г.

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