На правах рукописи

Курашкин Константин Владимирович

ОЦЕНКА НАПРЯЖЕНИЙ В ЭЛЕМЕНТАХ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ПО ДАННЫМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ И МАГНИТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Специальность:

01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород – 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт проблем машиностроения Российской академии наук

Научный руководитель: доктор технических наук, Мишакин Василий Васильевич

Официальные оппоненты:

Маковкин Георгий Анатольевич, доктор технических наук, доцент, Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, заведующий кафедрой «Общая физика и теоретическая механика»

Миронов Анатолий Алексеевич, кандидат технических наук, доцент, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, заведующий кафедрой «Динамика, прочность машин и сопротивление материалов»

Ведущая организация:

ОАО «Центральный научно-исследовательский институт «Буревестник»

Защита состоится «30» октября 2013 г. в 1200 на заседании диссертационного совета Д 212.165.08 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева по адресу: 603950, г.

Нижний Новгород, ул. Минина, 24, корп.1, ауд. 1258.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева.

Автореферат разослан «_» 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Грамузов Евгений Михайлович

Общая характеристика работы

Актуальность темы Ряд задач, связанных с прочностью, надежностью и долговечностью машин и конструкций, невозможно решить без определения их напряженного состояния.

Высокая концентрация напряжений различного происхождения является одним из факторов, ограничивающих ресурс материала, и часто служит причиной внезапного разрушения конструкций. Анализ напряженного состояния материала представляет собой сложную научно-техническую проблему и осуществляется в целях обеспечения надежности и безопасности машин и конструкций на всех стадиях их жизненного цикла, начиная с выбора конструктивного решения и заканчивая решением вопроса о снятии с эксплуатации или о продлении срока службы.

Для решения задач по оценке напряжений широкое распространение получили ультразвуковой и магнитный методы исследований, обладающие приемлемой точностью, высокой скоростью и простотой измерений, низкой стоимостью проведения работ, удобством использования в полевых условиях, безопасностью для обслуживающего персонала. Однако существующие методики и технические средства ультразвукового и магнитного контроля напряженного состояния требуют проведения измерений как в нагруженном, так и в свободном от напряжений материале, либо используют образцы-эталоны. Разгрузка конструкции, как правило, экономически невыгодна, а, зачастую, невозможна ввиду условий работы.

Использование образцов-эталонов может приводить к большим ошибкам.

В связи с этим востребован метод контроля напряжений, позволяющий получать информацию без разгрузки конструкции. Разработка такого метода является актуальной задачей для ответственных дорогостоящих объектов нефтегазовой промышленности, ядерной энергетики, авиационной и космической техники, непроектные нагрузки на которых могут вызвать их разрушение и привести к экологической катастрофе, материальным потерям и человеческим жертвам.

Цель работы – разработка методов определения напряжений, действующих в конструкциях из листовых сталей 08пс, 10, 15, 20, 09Г2С, 13Г1С-У и 15Г2СФ, по данным ультразвуковых и магнитных измерений.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести экспериментальные исследования влияния напряженного состояния на акустические и магнитные параметры материала.

2. Выбрать информативные параметры для построения метода определения напряжений по данным ультразвуковых и магнитных измерений.

3. Разработать методы контроля одноосных и двухосных рабочих и остаточных напряжений по данным акустических и магнитных исследований.

4. Установить фактическую точность и границы применимости разработанных методов оценки напряжений.

5. Провести апробацию разработанных методов оценки напряжений на значимых технических объектах.

Научная новизна 1. Установлена корреляционная связь между параметрами морфологической текстуры и акустической анизотропии листовых сталей 08пс, 10 и 15. Найденная связь позволяет определить собственную акустическую анизотропию материала непосредственно на нагруженной конструкции по данным металлографических исследований и оценить одноосное напряжение без разгрузки конструкции.

2. Установлено, что в листовых сталях 08пс, 15, 20, 09Г2С, 15Г2СФ в разгруженном состоянии имеет место линейная зависимость между коэффициентами Пуассона 31 и 32; остаточные напряжения нарушают линейную зависимость.

3. Разработан новый метод оценки разности остаточных напряжений по отклонению коэффициентов Пуассона 31 и 32 от линейной зависимости.

4. Для сталей 09Г2С и 13Г1С-У, обладающих магнитной анизотропией, получены соотношения между коэрцитивной силой и двухосными напряжениями.

5. Впервые разработан не требующий разгрузки материала метод оценки напряжений, основанный на совместном использовании ультразвуковых и магнитных измерений.

Положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментальное обоснование корреляционной связи между параметрами морфологической текстуры и акустической анизотропии листовых сталей 08пс, 2. Метод оценки одноосных напряжений по данным ультразвуковых и металлографических измерений.

3. Экспериментальное обоснование линейной зависимости между коэффициентами Пуассона 31 и 32 листовых сталей 08пс, 15, 20, 09Г2С, 15Г2СФ в разгруженном состоянии.

4. Метод оценки разности остаточных напряжений по данным ультразвуковых измерений без разгрузки материала.

5. Обоснование связи между коэрцитивной силой и механическими напряжениями в магнитно-анизотропных сталях 09Г2С и 13Г1С-У.

6. Метод оценки напряжений без разгрузки конструкции, основанный на совместном использовании результатов ультразвуковых измерений коэффициентов Пуассона и измерений коэрцитивной силы.

Личный вклад автора состоит в анализе литературных источников, проведении экспериментов и интерпретации полученных результатов, разработке методов оценки напряжений по данным акустических и магнитных исследований. Все представленные в диссертационной работе экспериментальные результаты получены лично автором.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных измерительных приборов, значительным объемом экспериментальных данных, подтверждена обсуждением полученных результатов на научно-технических конференциях, верификацией разработанных методов определения напряжений и апробацией на значимых технических объектах.

Теоретическая и практическая значимость работы Существующие методики ультразвукового и магнитного контроля механических напряжений требуют определения параметров материала в разгруженном состоянии, что значительно ограничивает область их применения. В настоящей диссертации предложены методы определения напряжений, не требующие разгрузки конструкции, основанные на совместном использовании ультразвукового и магнитного контроля. Результаты диссертации имеют большое практическое значение для объектов нефтегазовой промышленности, авиационной и космической техники, ядерной энергетики.

Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:

IХ Всероссийская конференция «Нелинейные колебания механических систем».

Н.Новгород, 24-29 сентября 2012 г.;

XIX Всероссийская научно-техническая конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике. Самара, 6-8 сентября 2011 г.;

X Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. Н.Новгород, 24-30 августа 2011 г.;

Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве. Всероссийская научно-техническая конференция.

Н.Новгород, 17-20 ноября 2009 г.;

XXII сессия РАО. Москва, 15-17 июня 2010 г.;

16 Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки. Н.Новгород, 15- февраля 2011 г.;

15 Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки. Н.Новгород, 15- февраля 2010 г.;

Семинар в ИПМ РАН. Н.Новгород, 23 апреля 2013 г.;

Заседание научно-технического совета ОАО «ЦНИИ «Буревестник». Н.Новгород, 22 августа 2013 г.

Реализация результатов работы Многие результаты исследований, представленные в настоящей работе, были получены в ходе выполнения проектов, поддержанных Российским Фондом Фундаментальных Исследований: «Разработка акустического метода измерения напряжений в элементах конструкций с учетом структурного состояния материалов»

грант 08-08-97058-р_поволжье_а, «Разработка способа диагностики разрушения материалов сварных соединений на стадии накопления микроповреждений» грант 11р_поволжье_а.

Результаты проведенных исследований нашли применение в ООО «НПП «Иннотех» (г. Санкт-Петербург), ЗАО «СКБ «Инфотранс» (г. Н.Новгород) и ООО «Газпром газнадзор» (Волго-Камское управление, г. Н.Новгород).

Публикации Результаты исследований, полученные при выполнении диссертации, опубликованы в 24 научных работах, в том числе в 6 статьях в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 145 страниц, включая 65 рисунков, 4 таблицы, 121 формулу. Список цитируемой литературы состоит из 90 наименований.

Во введении показана актуальность темы и практическая значимость работы.

Обоснована необходимость разработки метода оценки напряжений, не требующего разгрузки конструкции.

В главе 1 проведен литературный обзор, который показал, что наибольшими возможностями для определения механических напряжений обладают ультразвуковой эхо-метод и магнитный индукционный метод.

Ультразвуковой контроль механических напряжений основан на акустоупругом эффекте – зависимости скорости распространения упругой волны от напряженного состояния. Исследованиями акустоупругого эффекта в структурно-неоднородных материалах и разработкой акустических методов определения напряжений занимались японские ученые Токуока, Сайто, Окада, Фукуока и др., европейские и американские ученые Томас, Джонсон, Шнайдер, Аллен, Сайерс, Шателлье и др.

Значимый вклад в развитие ультразвукового контроля напряженного состояния внесли советские ученые кишиневской и киевской школ: Гузь А.Н., Анисимов В.А., Бобренко В.М., Куценко А.Н. и др. Исследованиями распространения упругих волн в твердых телах с напряжениями и разработкой методов определения напряженного состояния материалов занимаются Ерофеев В.И., Никитина Н.Е. и Углов А.Л.

Как следует из рассмотренных литературных источников, ультразвуковые методы и аппаратура для контроля напряженного состояния материалов представляют очевидный интерес и разрабатываются как в России, так и за рубежом.

К настоящему времени проведены многочисленные исследования явления акустоупругости в конструкционных материалах, разработаны способы и устройства для измерения напряжений ультразвуковым методом. Однако задача определения напряжений с помощью ультразвука непосредственно на нагруженной конструкции без ее разгрузки не решена.

Для оценки напряженного состояния ферромагнитных материалов перспективно использование магнитного индукционного метода, основанного на измерении коэрцитивной силы. Согласно теории процессов намагничивания и перемагничивания, величина коэрцитивной силы определяется факторами, задерживающими необратимое смещение границ между доменами, среди которых механические напряжения. Аналитических зависимостей коэрцитивной силы от приложенных нагрузок не существует, для оценки напряжений используются эмпирические тарировочные зависимости. Фундаментальными исследованиями по установлению связей процессов перемагничивания с напряженно-деформированным состоянием металлов занимаются ученые УрО РАН Горкунов Э.С., Ничипурук А.П., Бида Г.В. и др. Разработкой основ магнитной структуроскопии и технической диагностики элементов конструкций занимаются сотрудники ООО «Газпром ВНИИГАЗ» Кузьбожев А.С., Агиней Р.В., Андронов И.Н., Теплинский Ю.А. и др.

Анализ научных публикаций, посвященных контролю напряжений с помощью метода коэрцитивной силы, показал, что, в основном, исследуются одноосные напряжения, недостаточно освещены вопросы определения сложного напряженного состояния, мало изучено влияние магнитной анизотропии.

В конце главы 1 сформулированы цель и задачи исследования.

В главе 2 представлены исследованные материалы и методики измерений.

Приведены химический состав и механические свойства исследованных сталей 08пс, 10, 15, 20, 09Г2С, 13Г1С-У и 15Г2СФ, широко используемых в промышленности.

Указаны геометрические размеры образцов и элементов конструкций. Описаны использованные приборы, а также схемы и условия испытаний. Указаны погрешности измерений.

В главе 3 представлены результаты проведенных экспериментальных исследований.

Величина одноосного механического напряжения определяется акустоупругим методом через параметр акустической анизотропии:

где – механическое напряжение, A – величина акустической анизотропии в нагруженном материале, A0 – величина акустической анизотропии в разгруженном материале, A ( = 0) = A0, KА – коэффициент акустоупругой связи.

При оценке одноосного напряжения акустическим методом необходимо учитывать значение A0, определяемое структурным состоянием материала.

Процесс производства листового проката связан с интенсивной пластической и термической обработкой материала, при которой изменяются размеры и форма зерен, кристаллографическая текстура.

Проведенные металлографические и акустические исследования плоских образцов из листовых сталей 10, 15 и 08пс показали, что при пластической обработке металла наблюдается связь между параметрами морфологической текстуры и акустической анизотропии (рис. 1).

При одностороннем доступе к плоским элементам конструкции параметр акустической анизотропии определяется через соотношение времен распространения поперечных упругих волн:

где t1 и t2 – времена распространения поперечных упругих волн, поляризованных вдоль и поперек направления проката соответственно.

Параметр морфологической текстуры или вытянутости зерен выражается следующим образом:

где d1 и d2 – средний размер зерен в продольном и поперечном направлениях в плоскости проката.

Рис. 1. Связь морфологической текстуры и акустической анизотропии для плоских Параметр морфологической текстуры D, измеряемый непосредственно на нагруженной конструкции, можно использовать для оценки собственной акустической анизотропии A0.

Для повышения эффективности ультразвукового контроля напряженного состояния сварных соединений были проведены исследования коэффициентов акустоупругой связи в зоне основного металла и в зоне термического влияния.

Результаты акустомеханических испытаний сварных образцов из сталей 09Г2С и 15Г2СФ показали, что значения собственной акустической анизотропии A0 и коэффициента акустоупругой связи KA в зоне основного металла и в зоне термического влияния отличаются (рис. 2), что необходимо учитывать для повышения точности оценки напряжений в сварном соединении.

Рис. 2. Значения акустической анизотропии (а) и значения коэффициента KA (б) в В качестве информативных параметров для определения двухосных напряжений были выбраны коэффициенты Пуассона 31 и 32, измеряемые ультразвуковым методом при одностороннем доступе к плоским элементам конструкций:

где V1 и V2 – скорости поперечных волн, поляризованных вдоль соответствующих осей ортотропного материала, V3 – скорость продольной волны, t1 и t2 – времена распространения поперечных волн, t3 – время распространения продольной волны.

Проведенные ультразвуковые исследования плоских образцов и элементов труб из листовых сталей 08пс, 15, 20, 09Г2С и 15Г2СФ показали, что в отсутствии остаточных напряжений между коэффициентами Пуассона 031 и 032 существует линейная зависимость:

где 031 и 032 – значения коэффициентов Пуассона в материале без напряжений, B и Q – коэффициенты.

Корреляционное поле коэффициентов Пуассона {031; 032} для каждого исследованного плоского образца без напряжений близко к прямой, коэффициент корреляции – более 0,9 (рис. 3а). В материале труб с остаточными напряжениями связи между коэффициентами Пуассона не прослеживается, после снятия остаточных напряжений путем разрезки труб между коэффициентами Пуассона 031 и наблюдается линейная зависимость (рис. 3б).

Рис. 3. Корреляционное поле коэффициентов Пуассона в плоском образце из стали Таким образом, линейная зависимость между коэффициентами Пуассона свидетельствует об отсутствии неоднородных напряжений. На основании полученных экспериментальных результатов предложено использовать найденную зависимость при оценке напряжений в конструкциях из листовых сталей.

Магнитный индукционный метод определения напряжений базируется на зависимости между коэрцитивной силой и величиной напряжений, действующих в материале. При использовании приставных намагничивающих устройств существует возможность определения коэрцитивной силы как вдоль, так и поперек оси растяжения:

Экспериментально полученные для образцов из сталей 20 и 09Г2С зависимости коэрцитивной силы от одноосного напряжения представлены на рис. 4.

Рис. 4. Зависимости коэрцитивной силы стали 09Г2С (а) и стали 20 (б) от напряжения В образце из стали 09Г2С при одноосном растяжении коэрцитивная сила, измеряемая вдоль оси нагружения, не изменяется, коэрцитивная сила, измеряемая поперек оси нагружения, увеличивается. В образце из стали 20 при одноосном растяжении коэрцитивная сила, измеряемая вдоль оси нагружения, уменьшается, коэрцитивная сила, измеряемая поперек оси нагружения, увеличивается.

Проведенные магнитные и тензометрические исследования сварной плиты позволили установить влияние плоского напряженного состояния на величину коэрцитивной силы стали 20 (рис. 5).

Рис. 5. Изменение коэрцитивной силы в сварной плите из стали 20 (а), остаточные напряжения в сварной плите из стали 20 (б): черные точки – расчет по данным измерений коэрцитивной силы, белые точки – измерения с помощью тензорезисторов В главе 4 предложены методы оценки напряжений без разгрузки конструкции.

Один из методов основан на использовании корреляционной зависимости между параметрами акустической анизотропии и морфологической текстуры. Для реализации метода проводятся обучающие исследования на образцах и устанавливается связь между параметрами акустической анизотропии и морфологической текстуры. Найденная связь используется при оценке одноосных напряжений в элементах конструкций, выполненных из тех же материалов, что и исследованные образцы, и имеющих схожую термическую и пластическую обработку.

Для плоских образцов из листовых сталей 10 и 08пс корреляционная зависимость между параметрами собственной акустической анизотропии и морфологической текстуры хорошо описывается уравнением:

где kAD – коэффициент пропорциональности.

Таким образом, измеряя на нагруженной конструкции акустическую анизотропию А, например, с помощью электромагнитно-акустического преобразователя, и морфологическую текстуру D с помощью переносного металлографического комплекса, можно определить одноосное напряжение, не разгружая конструкцию:

Другой метод базируется на отличии значений акустической анизотропии и коэффициента акустоупругой связи в зоне основного металла и в зоне термического влияния сварного шва. Установление связи между параметрами акустической анизотропии основного металла А0 и металла околошовной зоны А0* в процессе обучающего эксперимента, позволяет определить величину напряжения:

где KA* – значение коэффициента KA в зоне термического влияния, = А0*/А0.

Метод применим для грубой оценки напряжения в металле сварного соединения.

Третий метод основан на анализе коэффициентов Пуассона 31 и 32, измеряемых ультразвуком при одностороннем доступе к конструкции. Для листовых сталей 08пс, 15, 20, 09Г2С и 15Г2СФ экспериментально установлено, что в отсутствии остаточных напряжений между коэффициентами Пуассона 031 и существует линейная зависимость (5), присутствие неоднородных напряжений нарушает линейную зависимость.

Из уравнений акустоупругости для ортотропного материала были получены зависимости коэффициентов Пуассона 31 и 32 от напряжений:

где 1 и 2 – главные напряжения, действующие вдоль осей n1 и n2 ортотропного материала, 031 и 032 – значения коэффициентов Пуассона в материале без напряжений, mij – коэффициенты, выражаемые через упругие модули второго и третьего порядков (определяются в результате акустомеханических испытаний образцов).

Для оценки напряжений был выбран параметр, представляющий собой отклонение коэффициентов Пуассона от линейной зависимости:

Величина отклонения зависит от напряжений следующим образом:

Определение коэффициентов с1 и с2 для образцов из сталей 08пс, 15, 20, 15Г2СФ и 09Г2С показало, что они фактически равны по абсолютной величине даже для материала с существенной анизотропией и различаются знаком. С учетом значений с1 и с2 из (11) и (12) была получена формула для оценки разности главных напряжений:

где k – коэффициент, значения которого для исследованных сталей лежат в диапазоне 200240 ГПа.

Верификация разработанного метода оценки разности главных напряжений с результатами электротензоизмерений была проведена в ходе исследований сварной плиты из стали 20 (рис. 6). Результаты, полученные по формуле (13) и с помощью тензорезисторов, совпадают.

Рис. 6. Остаточные напряжения в материале сварной плиты из стали Разработан метод оценки напряжений, основанный на совместном использовании ультразвуковых измерений коэффициентов Пуассона и измерений коэрцитивной силы.

Результаты проведенных магнитных исследований сталей 09Г2С и позволили предположить, что величина коэрцитивной силы зависит от напряжений следующим образом:

где qij – коэффициенты, значения которых зависят от вида напряженного состояния и от магнитных свойств материала. Уравнения (14) хорошо описывают наблюдаемые зависимости коэрцитивной силы сталей 09Г2С и 20 от одноосных и двухосных напряжений.

Анализ полученных результатов показал, что для стали 09Г2С характерна анизотропия магнитных свойств: коэрцитивная сила, измеряемая в двух взаимно