«Шубочкин Андрей Евгеньевич Развитие методов и средств вихретокового и магнитного контроля металлопроката для оценки его остаточного ресурса Специальность 05.11.13. – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, ...»

Критичной ситуацией для сети может стать наличие связей между некоторыми отдельными частями приводящие к конфликту. Такой класс черт (связей) поступившего образа и уже существующими, как запрограммированные экспертом, так и возникшие в процессе функционирования АРТ нейронной сети приводят к неконтролируемому разрастанию числа новых классов.

Еще одной особенностью предлагаемой сети является доступность самоадаптации ее алгоритма поиска образов в памяти. В сети адаптивного резонанса это достигается прекращает дальнейший поиск резонанса в области известных данных с целью принятия решения о наступлении положительной реакции теста новизны поступивших данных.

Ориентирующая система производит свое обучение в процессе работы.

Для ускорения работы сети в случаях наличия события резонанса АРТ-сеть имеет прямой доступ к образу, давшему максимальный отклик, т.е. откликнувшемуся на резонанс.

В таком случае перечень критических черт является прототипом для прямого доступа к образу.

Нейронная сеть системы АРТ-1 была разработана Карпентером Г.А. и Грозбергом С.

[220]. В дальнейшем ее развитием занимался Уоссерман Ф [221]. Сеть является классификатором входных двоичных образов по сформированным сетью категориям.

Сеть состоит из четырех типов элементов рисунок 2.12:

4) коэффициенты усиления: ключи - g1, g2 и сброс R.

классифицированными сетью по шаблону критических черт класса в ряд классов происходит возбуждение одного из нейронов распознающего слоя. Наибольшее совпадение с одним из образов относит его к его классу. Если степень похожести образа не превышает порогового значения ни одного из классифицирующих категорий, то для него формируется новый класс.

Для описания нового класса вводится в сеть новый, ранее не задействованный нейрон в слой распознавания. С этого момента новый класс, как и все прежние, подлежит модификации и уточнению следующими поступающими образами, формируя свою карту критических признаков образа.

Алгоритм работы бинарной сети классификатора.

Входной двоичный образ X поступает на слой сравнения, который первоначально пропускает его без изменения, при этом выходной вектор слоя сравнения C = X.

Каждый из нейронов слоя весовых матриц имеет три двоичных входа - сигнал от соответствующей компоненты образа X, сигнала от нейрона ключа и сигнал обратной связи из слоя распознавания P. В начале работы сети сигнал Р принимается равным нулю. Для активации нейрона, находящегося в слое сравнения необходимым условием является наличие двух ненулевых сигналов на его входах (39). В начальный момент это условие активации выполняется сигналом с ключа g1 и активными компонентами вектора X.

Слой сравнения осуществляет сравнение выхода слоя распознавания Fj с текущим входом (входным образом) Х. Для этого входной образ Х преобразуется сначала в образ С, который затем передается на весовую матрицу Wij действительных чисел. В начале расчета коэффициент усиления (gain) g1 равен 1. На выходе слоя распознавания Fj рассчитывается так называемый ожидаемый образ Р или типичный представитель (прототип, стереотип) для класса образов, к которому отнесен образ С. В процессе обучения (точнее самообучения) сети составляющие С определяется на основе правила:

или: nm-я компонента вектора C принимает значение единица, если по крайней мере две из трех следующих переменных приняли значение 1:

коэффициент усиления g1 (для всех нейронов одинаков);

nm-я компонента хnm входного вектора Х;

распознавания).

Рис. 2.13. Фрагмент бинарной сети классификатора класс. Если для входного вектора не удается найти достаточно близкий класс из числа уже выявленных, то открывается (образуется) новый класс.

Класс, представляемый j-м нейроном слоя распознавания и наиболее близкий ко входному вектору Х или вектору С, определяется следующим образом:

где C*Wk - скалярное произведение векторов C* и Wk.

При победе нейрона j слоя распознавания, действительный весовой вектор Wj=(w1j, w2j,..., wmj).

Компоненты вектора Р на выходе слоя распознавания определяются при этом следующим образом:

то есть Рj=1, если скалярное произведение весового вектора Wj и вектора С максимально.

В сети используются две весовые матрицы:

Действительная матрица Wij предназначенная для расчета степени соответствия шаге распознавания образа;

Бинарная матрица Wji: предназначенная для проверки степени корректности классификации входного образа с помощью действительная матрицы Wij.

В бинарной сети классификаторе используются два ключа с коэффициентами усиления g1 и g2. Они использованы для синхронизации работы нейросети. g1 принимает значение 1, если по меньшей мере одна составляющая входа Х имеет значение 1 и одновременно ни один нейрон слоя распознавания не находится в состоянии 1.

g2 реализует логическое ИЛИ для входного образа. g2=1, если хотя бы одна составляющая входного образа равна 1:

«Сброс» – функция сети принимающая значение R=1 при появлении нейрона («победителя») слоя распознавания reset-составляющая равна 1, если различие входного образа Х и образа С превышает некоторый заданные порог. Алгоритм работы бинарной нейронной сети классификаторе представлен на рисунке 2.14.

нет Рис. 2.14. Алгоритм работы бинарной сети классификатора критических черт для окончательного отнесения образа X к категории нейрона-победителя, который определяет сходство между векторами X и C.

';

Выход R нейрона сброса определяется отношением числа единичных компонент в образе сравнения к числу единичных компонент исходного образа X. Если это отношение ниже некоторого определенного уровня сходства, нейрон выдает сигнал сброса. Сигнал сброса сообщает сети, уровень резонанса образа X имеет недостаточное число общих черт с данной категорией для причисления его к нему. Условием возникновения сигнала сброса R является соотношение:

Обучение сети классификатора образов дефектов.

Функционирование сети начинается после задания всех весов нейронов, а параметр сходства и ключи получают начальные значения. Значения весов должны удовлетворять условию:

где N - число компонент входного образа X, значение L>1.

Все веса бинарной матрицы Wji вначале устанавливаются единицами для всех j слоя распознавания и всех i слоя сравнения.

Такой выбор весов необходим для достижения устойчивого обучения. Уровень выбирается на основе требований решаемой задачи. Чем выше значение данного сходства параметра, тем большее число новых классов образов будет образовано. Малое значение параметра приведет к высокой степени обобщения образов в классе и не приведет к значительному росту сети.

Распознавание. В начале процесса самообучения сети входной образ Х нулевой Соответственно коэффициент усиления g2=0. Следовательно все нейроны слоя распознавания отключены. Образ Р также оказывается нулевым.

При подаче на вход сети ненулевого входного образа Х коэффициенты ключей принимают единичные значения: g1=1 и g2=1. Это приводит к формированию вектора С, который сначала является точной копией вектора Х. Затем для каждого j слоя распознавания признается «победителем», происходит его срабатывание, остальные нейроны не срабатывают.

Процесс обучения происходит на основе самоорганизации, а сеть относится классу сетей без учителя.

Обучение производится для весов нейрона-победителя в случае как успешной, так и неуспешной классификации. При этом веса вектора B стремятся к нормализованной величине компонент вектора C:

При такой постановке важна нормализация компонент, поскольку произведение ( ) будет масштабированным, и ряд индивидуальных образов станут подклассами, а их веса совпадут. При применении нормализации образов такие случаи исключаются.

Представленная выше бинарная сеть классификатор относится к нейронным сетям типа АРТ-1 и применима только к работе с битовыми образами, что для задач дефектометрии не приемлемо. Это ограничение преодолевается использованием сети класса АРТ-2 [220, 221].

Основной отличительной чертой нейронной сети АРТ-2 является возможность работы с аналоговыми величинами. Кроме того в сравнении с нейронными сетями класса АРТ-1 в архитектуре сети сделаны изменения, позволяющие отдельным ее подсистемам выполнять свои функции не синхронно, что является дополнительным преимуществом при аппаратной реализации такой сети.

Значимой отличительной особенностью аналоговых сигналов от бинарных является принципиальная возможность сближения рассматриваемых образов на расстояние вплоть до шага дискретизации при оцифровке аналоговых изображений и сигналов (в то время как пространство битовых векторов имеет один уровень порога). Данный факт накладывает дополнительные требования на функционирование нейронов слоя сравнения. Требуется иной чувствительный механизм для реализации выделения областей резонанса. Общим решением архитектуры сети является переход к многослойному типу и со значительным увеличением требований критериев настройки при переходе от слоя к слою. Однако принципиально работа слоя распознавания не меняется.

Успешные эксперименты выполнены в Массачусетском Технологическом Институте (MIT).

Алгоритм обучения системы распознавания образов дефектов.

Аналоговая нейронная сеть классификатор имеет архитектуру соответствующую по теории адаптивного резонанса ART2 [ 221]. Она схожа с вышеприведенной бинарной сетью классификатором по следующим признакам:

классификационные признаки;

особенности алгоритма обучения сети;

принципы функционирования сети.

Отличие между двумя рассматриваемыми сетями заключается лишь в том, что обрабатываемые многомерные образы являются вещественными, а не бинарными.

Входной слой рассматриваемой нейронной сети состоит из шести подслоев. Каждый их этих подслоев имеет в своем составе M нейронов, что соответствует размерности входного образа (рисунок 2.15). Входные подслои сети предназначены для нормализации входного образа и приведения его к виду подлежащему анализу сетью с архитектурой близкого типа с рассмотренной выше.

Входными данными сети являются последовательно подаваемые вещественные образы с размерностью M.

Параметрами аналоговой нейронной сети классификатора являются:

a, b, с – числовые коэффициенты нормализующей функции;

e – предотвращение деления на ноль; малое действительное положительное число, применяемое для предотвращения деления на ноль (обычно 0.001);

q – критерий отсечения шума. малое действительное положительное число (обычно 0.001), служащее критерием отсечения шума с использованием Параметр – порог близости, является действительным числом из интервала (0…1).

Его выбор определяет степень совпадения образов. Единице соответствует полное совпадение образов.

Коэффициенты нормализующей функции – произвольные положительные числовые коэффициенты, выполняющие нормализующую функцию.

Коэффициент e вводится в сеть для предотвращение деления на ноль и является Критерий отсечения шума q также является малым положительным действительным числом. Критерий использует следующее соотношения:

ВЫХОДНОЙ СЛОЙ

ВХОДНОЙ СЛОЙ

tij – весовой коэффициент связи от j-го нейрона выходного слоя к i-му нейрону в подслое p входного слоя;

bij – весовой коэффициент связи от i-го нейрона p-подслоя входного слоя к j-му нейрону выходного слоя;

pi, ui, wi, qi, vi, yi – состояние нейрона i соответствующего подслоя В начале самообучения сеть состоит из M нейронов в каждом подслое входного слоя и только одного нейрона выходного слоя. При этом весовые коэффициенты связей инициализируются с исходными значениями:

Изначально, до поступления на вход образа дефекта, значения всех нейронов шести подслоев входного слоя остаются нулевыми.

При поступлении очередного образа X на вход нейронной сети выполняется следующий алгоритм (рисунок 2.16):

Шаг-1. Нейроны выходного слоя активны.

Шаг-2. Вычисляются состояния всех нейронов в подслоях входного слоя:

Шаг-3. Вычисление значений функции активации активных нейронов:

Шаг-4. Определение нейрона-победителя из числа активных нейронов.

Для варианта, когда ни один из нейронов не удовлетворяет критерию порога близости создается новый выходной нейрон с номером N+1 с нижеследующими связями:

Шаг-5. Пересчет состояний нейронов подслоя p:

Шаг-6. Победивший нейрон проверяется по критерию близости:

Если условие выполняется, то переход на шаг 8, иначе переход на шаг-7.

Шаг-7. Победивший нейрон становится неактивным. Следует переход на шаг-4.

Шаг-8. Для победившего нейрона корректируются веса связей, поскольку он прошел Шаг-9 Окончание работы с очередным входным образом дефекта.

Вычисление состояния нейронов в подслоях Создание выходного Рис. 2.16 Алгоритм обучения и функционирования аналоговой сети классификатора классификатором, является либо номер нейрона-победителя, прошедшего проверку на близость, т.е. факт распознавания образа и его отнесения к уже известному классу, либо сообщение об отсутствии класса для данного образа и создание нового класса образов дефектов.

1. Метод формализации образов дефектов является универсальным с точки зрения его использования в совокупности с различными методами НК (вихретокового, магнитного, рентгеновского, ультразвукового и т.д.) позволяющими получить при проведении диагностики, библиотеки матриц значений образов дефектов.

2. Для достижения заданной вероятности доверия необходимо рассчитывать минимально-достаточное значение числа измерений, т.е. дискретность и шаг контроля.

самообучающуюся систему с пополняемой библиотекой образов.

4. Практическое использование данного метода в последних разработках автоматизированного вихретокового контроля позволило в режиме реального времени выделять информацию о дефектах типа одиночная трещина и сквозное сверление при использовании многоканального вихретокового преобразователя и роботизированной сканирующей системы.

5. Метод формализации образов дефектов применяется после того, как сигнал обрабатывается методами цифровой фильтрации и первичного нормирования.

использовать представленный метод для автоматизированных систем НК используемых в промышленных станах, по производству металлопроката имеющих в своем составе промышленные компьютеры, однако, постоянное дефектоскопах.

7. В ходе исследования возможности применения сверточных нейронных сетей для задач распознавания образов дефектов по результатам проведенной диагностики с применением вихретокового и магнитного методов неразрушающего контроля модифицированную архитектуру четырехслойной сверточной сети без слоев субдискретизации. Несмотря на упрощение структуры сети, были получены удовлетворительные результаты в процессе выделения образов дефектов из массива исходных данных образуется класс матриц, именуемых библиотекой новых образов, который априори относит область исходных данныхк дефектной области. Таким образом, возрастает количество ошибок второго рода, но образа дефекта.

8. Архитектура сверточных нейронных сетей не позволяет создавать новые классы образов, а потом в библиотеке нераспознанных образов они накапливаются индивидуально. В дальнейшем эти образы вероятных дефектов подлежат индивидуальному экспертному разбору и в случае признания появления ошибки второго рода причислению областей ОК им соответствующих к бездефектным.

9. Практическое применение нейронных сетей показывает, что какими бы качественными не были признаки инвариантные к различным пространственным искажениям, необходимо применять и другие преобразования для достижения максимальной надежности распознавания образов дефектов. Исключение искажений и артефактов в образе на ранних этапах выполнения алгоритма определения образа дефекта приводит к значительному увеличению быстродействия всего процесса дефектометрии.

- 114 ИССЛЕДОВАНИЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ИЗДЕЛИЙ

МЕТАЛЛОПРОКАТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ

Электромагнитные методы НК применяются при различных обследованиях ответственных узлов металлоконструкций и объектов целиком. На сегодняшний день существует большое количество регламентирующих документов предназначенных для проведения первичных и периодически проверок состояния различных металлических объектов и конструкций. В них оговаривается использования электромагнитных методов контроля для определения текущего состояния металла, а так же прогнозирования срока безопасной эксплуатации ОК. Существующие отраслевые стандарты и РД предлагают достаточно обоснованное применение вихретоковой дефектоскопии, толщинометрии и магнитных методов контроля [222…236]. Использование того или иного метода НК предписывается регламентирующим документом, а вот способ контроля и методика, зачастую отдается на откуп эксплуатирующей организации. Обычно контроль производится по методикам, получившим разрешение в органах госрегулирования и Ростехнадзора. Реже методика проведения диагностики ОК отдается на откуп специалистам НК проводящим обследование.

Особенностью принятых к использованию РД является разбиение проводимого контроля по методам НК. Каждый из них ориентирован на обнаружения определенного типа недостатков, накапливаемых повреждений и структурных изменений, влияющих на безопасность эксплуатации и уменьшение срока службы ОК. Методики учитывают предельные значения отклонений значимых параметров контроля, оценивают вносимые поправки от проведенных ремонтов и, в случае многократных обследований в ходе эксплуатации ОК, вводят поправки в продолжительность его безопасного функционирования.

Глобальным недостатком существующих методик является отсутствие в них учета взаимного влияния разных типов повреждений металлических ОК на безопасность его функционирования. Так, к примеру, в методиках учитывается утонение толщины стенки листового металлопроката, вызванного ремонтом стресс-коррозионного поражения, рассчитываются площади областей и общее утонение объекта контроля. Таким образом, методика, как бы приравнивает дефекты, выявленные при вихретоковой дефектоскопии, к коррозионному утонению металла. При этом не учитываются структурные изменения металла в областях подверженных растрескиванию, анизотропия свойств металла. Таким погрешность.

При решении задач определения ресурса металлоизделий, в том числе конструкции из металлопроката, листового металла, сварных соединений и т.д., необходим комплексный подход с использованием необходимых методов НК. Кроме того, требуются алгоритмы анализа взаимного влияния различных факторов определяющих на надежность ОК и результирующие характеристики, учитывающие всю прошедшую историю ОК с учетом проведенных периодических исследований и ремонтных работ. Ниже будут рассмотрены алгоритмы комплексного проведения контроля и определения остаточного ресурса ОК.

Среди критериев, влияющих на надежность металлоизделий, будут рассмотрены минимальные остаточные толщины ОК и общее утонение стенок в ходе эксплуатации ОК, с использованием ЭМА толщинометрии; наличие различных включений и поверхностных и внутренних несплошностей металла металлургических и приобретенных в ходе эксплуатации с использованием электромагнитной дефектоскопии, изменения структуры металла и анизотропии свойств ОК с использованием магнитных методов НК.

- 116 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА МЕТАЛЛОПРОКАТА

ПО МИНИМАЛЬНОЙ ТОЛЩИНЕ СТЕНКИ НА ОСНОВАНИИ

РЕЗУЛЬТАТОВ ТОЛЩИНОМЕТРИИ С УЧЕТОМ ОБЩЕГО

КОРРОЗИОННО-ЭРРОЗИОННОГО ИЗНОСА

Толщинометрия изделий из металлопроката производится для определения остаточной толщины стенки, либо для выявления точечных коррозионных поражений.

Сплошной контроль элементов металлопроката методами НК не всегда возможно выполнить, как из-за недоступности некоторых участков, так и из-за большого объема работ:

непосредственно толщинометрии и сопутствующих подготовительных.

В случаях, когда повреждение металлоконструкций носит однородный характер, либо когда недоступные для контроля участки имеют сходные с соседними, доступными участками, режимы эксплуатации применяется выборочный контроль. В этих случаях для уменьшения величины погрешности оценка поврежденности необходимо применение статистических методов. Оценка остаточной толщины проводится по размерам наиболее крупных выявленных дефектов, их количеству и т.д. [237].

Контроль объектов подверженных общей коррозии либо износу стенок.

Достоверность проведенного контроля характеризуется степенью соответствия полученных результатов фактическому техническому состоянию ОК. Качество оценки объекта определяется двумя показателями: точностью измерения и доверительной вероятностью [238].

Точность определения толщин указывается в виде доверительного интервала (tизм ± t ), где tизм – заявленная измеренная толщина, t – доверительный интервал; либо в виде пороговой доверительной границы (tизм S мм), где S – пороговое значение (граница).

Доверительную вероятность – вероятность нахождения фактического размера внутри определенного доверительного интервала, в зависимости от уровня ответственности контроля, стандарты рекомендуются в соответствии со стандартами и ответственностью контроля принимать равным 0,95.

На результат измерения влияют объективные и субъективные погрешности измерения. К субъективным относятся погрешности, вызванные человеческим фактором, т.е., действиями оператора выполняющего процедуру контроля и проводящего необходимые расчеты.

К объективным источникам погрешности относятся: погрешности метода, погрешности средств измерений, статистические отклонения, обусловленные выборочным проведением контроля.

конструкции либо ОК, при этом в ходе проведения работ она должна быть максимально минимизирована. Должны быть проведены работы по улучшению условий труда и уровню обучения персонала. В рассмотренных ниже алгоритмах проведения контроля субъективные погрешности рассмотрены не будут.

При проведении контроля толщины стенки изделий из металлопроката на точность измерения, прежде всего, влияет объем выборки измерений. Большой разброс результатов измерений может наблюдаться из-за неравномерности коррозионных поражений. Это различие часто бывает вызвано различием условий нагружения различных участков ОК, стохастическими свойствами процесса коррозии, повреждением защитных покрытий.

В общем случае составляется карта контроля изделия, на которой определяются точки измерения толщины стенки. Точки распределяют равномерно. При планировании проведения НК необходимо определить количество точек N, выбираемых для проведения толщинометрии. При этом находится, характерный для инженерных задач, компромисс между достоверностью контроля, и его трудоемкость. В зависимости от числа измерений возможна реализация нижеследующих вариантов контроля:

Сплошной – контроль, при котором измеряют толщину стенки на всех поверхности P. Сплошной контроль не имеет статистической погрешности. Погрешность измерения определяется технической погрешностью приборов и методов контроля.

P/P0 > 1, где P0 - площадь контролируемой поверхности. Достоверность контроля при выборочном контроле зависит от величины отношения P/P0 и степени неравномерности коррозии.

Поскольку при выборочном контроле измерения осуществляют в намеченных точках, то при этом способе минимальная из измеренных величин может оказаться значительно больше, чем фактическая минимальная толщина стенки ОК.

Достоверность контроля в этом случае остается неопределенной, если не учитывать разброс фактических толщин элементов металлоконструкций.

В общем случае контроль толщины стенок ОК производится выборочным способом:

на первом этапе при контроле по намеченным точкам определяются участки с коррозионным повреждением, с учетом заданного размера минимальной области поражения ОК;

на втором этапе определяются границы пораженных коррозией участков;

отдельного выявленных корродированных участков ОК или сплошной пораженных участков – сплошной контроль участков глубина коррозии на которых не зависит от соседних участков. На практике применяется при контроле участков ОК с поврежденными защитными покрытиями. В этом случае контроль всей поверхности не имеет смысла и допускается либо выборочный контроль участков с некородированной поверхностью либо точечная проверка толщины стенки с заявленными чертежными данными объекта.

В случае эрозионного поражения допускается на втором этапе выделять участки с максимальным повреждением поверхности, но при этом на первом участке число точек контроля должно быть увеличено.

В случае, когда отбраковка ОК производится по критерию превышения пороговой проконтролированного ОК с учетом непроконтролированных участков, tбр – толщина при которой дальнейшая эксплуатация ОК недопустима [239].

Ниже рассмотрим частный случай выборочного контроля при малом числе N. Такие измерения допускаются при контроле отдельных зон элементов металлоконструкций. При этом достоверность контроля может быть достаточно высокой, если известен разброс измеряемой толщины стенки ОК определяемый по среднему квадратичному отклонению.

Среднее квадратичное отклонение определяется по результатам проведенных измерений на участках поверхности, находящихся в одинаковых условиях эксплуатации, по формуле 3.1:

где ti – измеренная толщина на i-ом участке поверхности ОК;

tcp – средняя измеренная толщина;

N – число участков, на которых проводятся замеры, N > 10, иначе не вычисляется, т.к. точность оценки будет недостаточна.

Минимальную возможную толщину стенки ОК с учетом не контролированных участков определяется, как указано выше, с вероятностью 0,95 для большинства ответственных металлоконструкций и узлов по формуле ОК допускается к дальнейшей эксплуатации при tмин > tбр.

Следует учесть, что возможен вариант, при котором измеренное значение толщины стенки ti будет меньшее, чем tмин. В этом случае значение tмин, принимается равным Для увеличения точности контроля на отдельных участках ОК и при необходимости более точной оценки остаточной толщины необходимо увеличить число измерений n либо количество участков N.

Примечание: Уменьшение ошибки контроля пропорционально.

Для большинства ОК измерение остаточной толщины проводится единожды для определения возможности дальнейшей эксплуатации при приближении к расчетному сроку службы изделия. При этом определяется средняя скорость коррозии стенки ОК по следующей формуле:

где – средняя скорость коррозии;

t0 – начальная номинальная толщина стенки ОК;

– время эксплуатации трубопровода, лет.

Остаточный ресурс трубопровода определяется по формуле:

Приведенный способ расчета остаточного ресурса наиболее прост и является базовым для первичной оценки. Он применяется для прогнозировании остаточного ресурса изделий из металлопроката, в том случае, когда изменение текущей толщины стенки t и при постоянном значении допускаемого напряжении единственной характеристикой На практике важнее учитывать влияние изменения толщины ОК на его устойчивость к нагрузке, которая, безусловно, зависит от текущей толщины и, тем самым влияет на остаточный ресурс. Текущая толщина стенки представляется в следующем виде, по методу где t0 – номинальная толщина стенки;

0 – начальное технологическое отклонение толщины стенки;

Прочность ОК при эксплуатации обеспечивается, когда допустимая расчетная нагрузка выше рабочей. Данное условие продолжения эксплуатации ОК, с учетом (3.5), может быть представлено в следующем виде:

где – рассчитываемая нагрузка с учетом текущей толщины ОК;

– приведенное значение начального технологического отклонения стенки;

– приведенная абсолютная величина износа стенки.

Для рассматриваемого расчета остаточного ресурса необходимо вместе с замерами фактических толщин элементов ОК знать соответствующие им номинальные толщины и их допустимые отклонения.

Далее приведен расчет для идеально спроектированного изделия – изделия, у которого при введении в эксплуатацию ресурс отдельных узлов или частей равен. Т.е. в начальный момент времени величина постоянна для всех элементов.

В реальности надежность отдельных частей металлоконструкций отличается друг от друга из-за ограниченного количества типоразмеров выпускаемого металлопроката. Данный факт определяет реальный разброс значений для элементов металлоконструкции и объектов.

Относительный износ ОК в соответствии с его условием прочности (3.5) можно представить в следующем виде:

где [] – допустимый относительный износ стенки;

– текущий относительный износ стенки;

0 –начальное изменение толщины стенки;

При эксплуатации ответственных металлоконструкций диагностика проводится на всем протяжении эксплуатации. Таким образом, в любой момент времени в течение срока службы ОК имеется нижеследующая информация о нем, т.е. начальная информация для проведения расчета остаточного ресурса ОК:

m – количество проведенных диагностик ОК;

j – момент времени проведения j-ой диагностики из m проведенных;

Mj – количество замеров толщины стенки при каждом диагностировании.

обозначим tk (k=l, 2,...M).

Процесс износа стенки можно описать степенной функцией:

где а – случайный параметр;

b – детерминированный параметр определяемый градиентом износа.

Полагаем, что параметр а имеет нормальное распределение. Параметр b определяет скоростью износа стенки ОК в ходе эксплуатации:

при b = 1 износ осуществляется с постоянной скоростью;

при b > 1 процесс износа ускоряется при эксплуатации;

Для многих ОК диагностика производится один раз при приближении срока службы к предельному сроку эксплуатации и ставится вопрос оценки остаточного ресурса с целью возможности продления срока эксплуатации. Показатель степени b, в случае однократного контроля необходимо принимать равным единице, что несколько увеличивает расчетную скорость износа. В таких случаях, когда при оценке остаточного ресурса приходится иметь дело с результатами лишь одного диагностирования, величина время последней диагностики ОК.

Если диагностирование проводилось более одного раза (m 2), то параметр b определяется по результатам статистической обработки замеров толщины стенки. Вначале определяются средние значения уточнений стенки для каждого j-гo диагностирования jcp:

tnk – номинальная толщина стенки диагностируемого элемента.

Затем методом наименьших квадратов строится линейная зависимость в координатах lgicp – j.

В результате по формуле (3.8), следует начальный разброс толщин роли не играет, при условии технологического допуска 0cp=0.

определяется по формуле:

S0 – начальное среднеквадратическое отклонение;

В начальный момент времени аср = 0; Sa = 0. В момент времени д, исходя из (3.10) имеем, где S - среднее квадратичное отклонение относительной толщины стенки в момент времени д.

Допускаемый относительный износ [] принимается с нормальным распределением. В этом случае из (3.7) и с учетом вышеприведенного ограничения технологического допуска 0ср относительный износ равен:

Примечание: при контроле объекта в один цикл допустимо использовать в качестве среднего значения величину tcp.

формуле:

– дисперсии начального технологического отклонения и значений всех ОК.

В случаях значительного износа ОК его рассеяние определяет величину остаточного ресурса. С достаточной для практических целей точностью можно принять, как S[] = S0 = 0,05, если большего не требует при наличии сложных узлов.

Вероятность безотказной работы в период времени от начала эксплуатации до проведения диагностики (0…д), т.е выполнения условия (3.6) – функцией надежности:

– вероятность события, - регламентированная вероятность.

где Гамма - процентный остаточный ресурс ост рассчитывается из решения следующего уравнения вероятности безотказной работы:

Величина выбирается в пределах от 90 до 99 % и зависит от ответственности диагностируемого ОК.

Для интервала времени 0… д в соответствии с (3.14) и при нормальном распределение вероятности параметров износа и [] имеем выражение безотказной работы:

где Ф – табулированная функция Лапласа.

Тогда вероятность безотказной работы в расчетный момент времени д + ост составляет:

Примечание: Износ стенки не может быть отрицательной величиной, хотя это допускается принятием нормального закона распределения для параметра а.

Выражение (3.17) допустимо использовать для всего диапазона вариаций износа, равновеликого снижения функции Ф в числителе и знаменателе.

Точечная оценка остаточного ресурса определяется по квантилю нормального распределения U из выражения:

U - квантиль нормального распределения.

При [ ] можно получить точечную оценку остаточного ресурса:

После преобразования из (3.18…3.19) получим:

[]ср – допускаемое значения относительного износа при диагностировании в момент времени д;

S - средние квадратичные отклонения допускаемого значений относительного износа;

относительного износа.

Из полученных выражений 3.20 и 3.21 определяется значение гамма - процентного остаточного ресурса. При решении ресурсной задачи необходимо рассматривать нижние остаточного ресурса:

односторонней доверительной вероятностью q;

оценка среднеквадратичного отклонения текущего износа;

q – обычно принимается 0,95 (в приделах от 0,8 до 0,99). Для многократных диагностик в ходе эксплуатации ОК (M 5) Sд и ср заменяются приближенными оценками, полученные аппроксимацией из предыдущих диагностик.

Если не требуется повышенной точности в расчете вероятности, то доверительной вероятность q принимается равной 95%. Одним из важных этапов расчета остаточного ресурса является выбор. Регламентированная вероятность также принимается равной 95%.

распределения UP приведены в таблице 3.1.

UP UP UP P UP

Примечание: для промежуточных значений вероятности Р величина квантиля UР определяется интерполированием.

Данный способ расчета остаточного ресурса металлоконструкции по остаточной толщине стенок металлопроката может быть использован и для ОК, нагрузка на которые непостоянна и изменяется в ходе эксплуатации. Каждой величине приложенной к ОК нагрузки соответствует некоторая величина относительного износа []. Изменение допускаемого износа для каждого из частей ОК определяется одной функцией времени.

При этом среднее значение допускаемого износа []ср и среднеквадратическое отклонение износа S[] величины, полученные при диагностирования ОК в момент времени д. Тогда их текущие значения при d определяются по формулам:

Г() является монотонно убывающей функция времени. В момент времени = d равна единице.

Уравнение (3.18) точечной оценки остаточного ресурса имеет следующий вид:

приближений.

Способ расчета остаточного ресурса металлоконструкции по остаточной толщине стенок допускает получение приемлемого результата лишь в случаях, когда ОК кроме эрозионного и коррозионного повреждений не имеет дефектов формы, несплошностей и структурных изменений. Во всех иных случаях он должен применяться только, как первый этап оценки ресурса металлоконструкции.

Приведенный способ расчета используется при единичном и периодическом контроле изделий металлопроката с постоянным сечением при диагностике которого применяется выпускаемый в ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр» ЭМА толщиномер ЭМАТ-100, позволяющий с допустимой погрешностью проводить односторонние измерения по окрашенной или значительно корродированной поверхности без дополнительных технологических операций.

- 128 КЛАССИФИКАЦИЯ ДЕФЕКТОВ И ПОВРЕЖДЕНИЙ

ВЫЯВЛЯЕМЫХ ВИХРЕТОКОВЫМ И

МАГНИТНЫМ МЕТОДАМИ НК

Любая металлическая конструкция при ее изготовлении и эксплуатации неизбежно накапливает разнообразные дефекты, в той или иной степени, снижающие ее надежность.

Дефекты металлопроката, используемого в различных типах металлоконструкций, подразделяются на две группы – допустимые и недопустимые для дальнейшей эксплуатации ОК [237].

Все выявленные при диагностики ОК дефекты как допустимые, так и недопустимые, оцениваются с точки зрения ремонтопригодности ОК. В случае обнаружения недопустимого дефекта необходимо определить ремонтопригодность изделия и в случае возможности его проведения остаточный ресурс изделия рассчитывается с учетом проведенного ремонта.

Следует отметить, что проведенный ремонт влияет на надежность изделия, при чем, надежность ОК после проведенного ремонта может как уменьшаться, так и увеличиваться по сравнению с аналогичным бездефектным изделием.

Если дефектное изделие признается неремонтопригодным, а дефект недопустимым, то такое изделие бракуется, либо переводится в другой, обоснованный, режим функционирования при котором этот дефект является допустимым.

Еще одним параметром, общим для всех дефектов металлоконструкций является порог выявления дефекта. Данный параметр определяется чувствительностью метода контроля и применяемой аппаратурой. Чем ниже порог выявляемости дефекта, тем боле дорогостоящей становится диагностика ОК, но в тоже время и возрастает вероятность безаварийной работы диагностируемой металлоконструкции.

Допустимые дефекты имеют следующие пороги (допуска):

выявляемости;

порог браковки, поскольку любой дефект при определенном размере становится недопустимым и ОК требует ремонта;

порог контроля – порог при котором отношение сигнал шум считается приемлемым для числа ошибок первого и второго рода, обусловлен экономической либо функциональной целесообразностью.

Таким образом, при проведении диагностики параметров ОК необходимо задавать задаются, научно или практически обоснованные допуски.

Основной металл и сварные соединения металлоконструкций содержат множество типов различных дефектов, возникающих в процессе изготовления ОК, его транспортировке Электромагнитные методы контроля позволяют выявлять большое количество разнообразных дефектов металлопроката и сварных соединений.

При разработки методики контроля необходимо пользоваться классификатором дефектов, что позволяет оценить риски от наличия всех групп дефектов ОК. Методика должна содержать описание искомых дефектов и предоставлять способы их выявлений. Тем самым обеспечивается отсутствие избыточности проводимого НК и позволяет сконцентрировать усилия на поиске реальных, потенциально опасных дефектов.

Первая классификация разделяет дефекты металлопроката по времени их появления на протяжении жизненного цикла металла, т.е этапов изготовления и эксплуатации металлоконструкции, на следующие классы:

металлургические – получены при производстве металлопроката, технологичные – приобретенные в ходе проведения конструкторских, эксплуатационные – накопленные в процессе эксплуатации после некоторой Первый класс, металлургических дефектов должен выявляться при выходном контроля предприятий изготовителей металлопроката. При расчетах надежности конструкции и определения остаточного ресурса наличие такого класса дефектов и следов их устранения принимается в расчетах, как начальные условия. Влияние обнаруженных металлургических дефектов обнаруженных только во время диагностирования в ходе эксплуатации оценивается отдельно, и результат вносимого влияния от таких дефектов вносится добавкой к основному расчету. Для обнаружения данного класса дефектов разработаны системы автоматизированного вихретокового контроля ВД-41П.

геометрическим размерам:

Микродефекты – дефекты соизмеримые по размерам с зернами металла;

такие дефекты относятся к области материаловедения и физики твердого тела и при проведении диагностики металлоконструкций обычно не применяется, поскольку существующие на сегодня средства технической диагностики их не выявляют. Однако класс приборов – структуроскопов, как разработанный ивыпускаемый магнитный структуроскоп МС-10, позволяет выявлять области металла, содержащие микродефекты: микротрещины, скопления дислокаций, разнозернистость металла, карбидные включения и др. Микродефекты вызывают охрупчивание металла и снижают надежность ОК. Наиболее необходимо учитывать при расчете остаточного ресурса металлоконструкций.

Макродефекты подразделяются на следующие подклассы дефекты формы и дефекты несплошности. К дефектам несплошности относятся классические дефекты и трещиноподобные дефекты.

характеризующим уровень концентраций напряжений, является коэффициент концентрации напряжений. Трещиноподобные дефекты имеют острую вершину, близкую к нулевому радиусу. Основным параметром уровня концентраций для таких дефектов является коэффициент интенсивности напряжений.

К технологическим дефектам металлических конструкций относятся дефекты:

1) уменьшающие толщину стенки ОК, такие как вырывы, оплавления, вмятины и выпучины, кратеры, газовые поры, неметаллические включения, непровары, прожоги, раковины – выявляются при толщинометрии и вихретоковой дефектоскопии;

образованию трещин и повышенной коррозии ОК, такие как закаты и расслоения, подрезы, каверны, вырывы, вмятины и выпучины, наплывы, грубая чешуйчатость.

образованию дополнительных напряжений в металле, приводящим к зарождению трещин, относятся:, прожоги, микротрещины, нитридные, кислородные и другие неметаллические включения, крупнозернистость, участки перегрева и пережога, инородные металлы.

4) трещины наружные и внутренние в зоне шва и околошовной зоне (зоне сплавления с основным металлом), вызванные неравномерностью нагрева и охлаждения, подразделяются на «горячие» расположенные внутри сварного шва и не выявляемые для знакопеременной, трещины выходит на поверхность сварного шва; и «холодных», выходящих на поверхность и подлежащих выявлению электромагнитными методами (вихретоковым, магнитопорошковым).

Для выявления дефектов первых двух групп разработан толщиномер ЭМАТ-100 и ручные вихретоковые дефектоскопы ВД-90НП, ВД-93 и многоканальный портативный вихретоковый дефектоскп ВД-91НМ. Дефекты третьей группы выявляются магнитным структуроскопом МС-10, а к объектам 4 группы, принимая во внимание их типоразмеры и габариты применяются портативные (ВД-90НП, ВД-93, ВД-91НМ) дефектоскопы либо Эксплуатационные дефекты.

Наиболее распространенными являются коррозионные повреждения, подразделяющиеся на сплошную, точечную и язвенную коррозии, причем глубина повреждения варьируется от долей мм до сквозных отверстий.

Усталостные трещины и стресс-коррозионное растрескивание, обычно характеризуются площадью области образования и глубиной.

Трещины являются самым опасным дефектом. Наличие трещин любых размеров и направлений в металлоконструкциях не допускается.

Данный тип несплошностей образуется на поверхности изделий металлопроката, чаще всего в зонах концентрации напряжений на краях вмятин и выпучин, околошовной зоне и зоне сварного шва. Трещины хорошо выявляются вихретоковым методом НК, даже при сильно корродированной поверхности ОК.

Именно для выявления трещиноподобных дефектов в объектах находящихся в эксплуатации был создан вихретоковый дефектоскоп ВД-90НП и его модификация для контроля стресс-коррозии нефте- и газопроводов.

- 132 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА МЕТАЛЛОПРОКАТА

С УЧЁТОМ ВЫЯВЛЕННЫХ ДЕФЕКТОВ И ХАРАКТЕРИСТИК

ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ

При выявлении в ходе диагностики металлоконструкций нетрещиноподобных дефектов (вмятин, задиров, рисок и т.д.) необходимо проводить оценку малоцикловой долговечности ОК по критерию зарождения трещин с учетом теоретических коэффициентов концентрации напряжений. Наличие таких дефектов при циклическом нагружении ОК приводит к зарождению трещин. Для разных типов дефектов коэффициент рассчитывается по своему выражению.

Общее число циклов до разрушения N, вызванное этим типом дефектов, набирается из двух этапов: этапа зарождения трещины в вершине дефекта и этапа развития трещины до разрушения ОК.

где N3 - число циклов зарождения трещины;

Np- число циклов на этапе роста трещины.

Число циклов нагружения до зарождения трещины в металле определяется уравнениями Коффина – Менсона. Они содержат информацию о взаимосвязи между механических характеристики металла, числом циклов нагружения (N3) и амплитудой изменения истинных деформаций. Под истиной деформацией понимается деформация в вершине дефекта [240].

В расчете рассматриваются два режима нагружения:

при постоянном размахе деформаций – жесткий режим;

при постоянном размахе напряжений – мягкий режим.

В реальности зона дефекта обычно испытывает промежуточный режим нагружения, находящийся между крайними случаями. Для проведения расчета с целью приближения полученного результата к реальному, целесообразно выбирать среднее число циклов N3 из двух крайних вариантов.

В общем случае режимы циклического нагружения не являются симметричными и характеризуются коэффициентом асимметрии. Коэффициентом асимметрии (3.28) по напряжению R называется отношение напряжения в вершине дефекта в моменты минимальной и максимальной нагрузок в цикле. Коэффициент деформациям Re – называются отношение деформации в вершине дефекта при минимальной и максимальной Граничные значения истинных напряжений определяются по напряжениям для максимальных и минимальных нагрузок на ОК с учетом теоретических коэффициентов концентрации напряжений.:

Вмятины на стенках металлоконструкций:

где b – глубина вмятины;

– толщина стенки трубы;

d – диаметр вмятины;

D – наружный диаметр изгиба листа (ленты, трубы).

Коррозионные язвы, точечная коррозия:

где d – диаметр язвы;

Царапины, механические риски, надрезы и задиры - дефекты характеризуемые линейными размерами (l – длина, d – ширина, b – глубина, р – радиус закругления в вершине дефекта). в расчете – толщина стенки ОК.

Этот класс дефектов принято подразделять по их длине на короткие и длинные.

К коротким относятся дефекты длина которых лежит в диапазоне d < l < 10d.

Теоретический коэффициент концентрации напряжений таких дефектов равен:

К длинным относятся дефекты длина которых превышает ширину на порядок различается для разных глубин:

Нагружение является симметричным, если коэффициент асимметрии R = -1. В этом случае растяжение ОК чередуется с его сжатием. Для металлоконструкций, подвергающихся внутреннему давлению (баки, трубопроводы и т.д.), характерны циклические нагружения с положительным коэффициентом асимметрии. Для них min > 0. В таких условиях металл ОК находится в состоянии растяжения. Встречаются случаи и с отрицательными значениями R и Re с повышенным давлением внешней среды (подземные коллектора, переходы под дорогами, подводные переходы и т.п.).

Число циклов нагружения до зарождения трещины в вершине дефект N3 для жесткого симметричного режима, рассчитывается из уравнения истинных деформаций:

где еа – амплитуда истинных деформаций в вершине дефекта;

-1 – предел усталости металла при симметричном нагружении;

Е – модуль упругости;

– коэффициент относительного сужения при разрыве;

– показатель жесткого циклического нагружения, определяется по приближенным формулам:

нижеследующего уравнения:

где еа, Е, -1 - те же величины, что и в (3.33) – известная величина относительного равномерного сужения;

приближенной формуле:

При расчете числа циклов N3 для случая несимметричного нагружения ОК определяется исходя из следующих заключений.

Циклы нагрузки характеризуются амплитудой деформаций в вершине дефекта еа и средней деформацией еср.

Каждый из этих параметров обратно пропорционален значению N3. Соответственно уменьшается. Чтобы сохранить количество циклов N3 при увеличении параметра еср постоянным, надо эквивалентно снизить амплитуду деформаций еа.

При условии N3 = const можно построить зависимость типа еср = f(еа). Такие зависимости монотонно убывающие и при расчетах они заменяются линейными.

Погрешность этого приближения увеличивает запас долговечности ОК.

Учитывая вышеизложенное, N3 рассчитывается для заданного несимметричного циклического нагружения, замещением на приближенное эквивалентное симметричное нагружение. У такого эквивалентного нагружения число циклов Ncp будет одинаковым с рассчитываемым нагружением.

Таким образом, для определения числа циклов зарождения трещины N3 при несимметричном нагружении необходимо выполнить следующий алгоритм:

найти параметры эквивалентного нагружения:

затем из формул (3.33) и (3.35), по значению еа найти числа циклов нагружения в качестве искомого числа циклов N3 для ОК на этапе зарождения трещины выбрать В этом случае значения деформаций (еср, еа) для определяются по следующим формулам:

где eмакс – наибольшая деформации в вершине дефекта в процессе циклического изменения нагрузки;

eмин – наименьшая деформация.

Расчет остаточного ресурса по характеристикам статической трещиностойкости трещиноподобных дефектов и как продолжение расчета количества циклов до разрушения ОК после зарождения трещин в вершине нетрещиноподобного дефекта (см. раздел 3.3).

Расчет остаточного ресурса ОК выполняется по характеристикам статической трещиностойкости при статическом нагружении. [237 – 239].

На первом этапе вычисляются параметры трещиностойкости. В расчете используются данные механических испытаний на одноосное растяжение материала ОК:

где - коэффициент равномерного сужения сечения при растяжении;

F - исходная рабочая площадь сечения образца;

Fb - площадь сечения образца в зоне равномерного сужения;

где - коэффициент относительного сужения при разрыве.

где - коэффициент относительного сужения при разрыве;

- относительная остаточная деформация, равная 0,2%.

характеристики статической трещиностойкости: разрушающее напряжение : степень снижения разрушающих напряжений ; предел трещиностойкости ;

где Fс – разрушающая сила для образца с трещиной b – ширина образца;

t – толщина образца.

где – степень снижения разрушающих напряжений от наличия трещин в образце при относительной глубине трещины, равной = h/t = 0, h – полная глубина трещины на образце;

вр - временное сопротивление растяжению;

где Предельная глубина трещины определяется по максимальной усредненной нагрузке из функций, образующих равенство:

IС – предел трещиностойкости для условно допускаемой глубины трещины;

mI – коэффициент запаса по пределу трещиностойкости.

где р – уровень рабочих напряжений.

Коэффициент интенсивности напряжений расчитывается из выражения где Y() – полином, зависящий от текущего значения относительной глубины трещины определяется по ГОСТ 25.506-85 [234].

Предел трещиностойкости определяется из выражения:

где ТР – степень разрушающих напряжений при текущем значении относительной глубины трещины.

Допускаемая относительная глубина трещины тр рассчитывается из уравнений (3.49) и (3.50) с учетом коэффициента запаса mI и с равенства (3.47).

Критическая глубина трещины определяется для среднего напряжения за исследуемый период.

Для этого определяется относительное значение критической глубины трещины кр.

Решение получается при совместного решении (3.49) и (3.50) при коэффициенте запаса по Остаточный ресурс определяется по времени роста трещины от допускаемой глубины h0 до критической при усредненной максимальном нагрузке на ОК где Nт – расчетное число циклов за единицу времени;

Nмакс – долговечность ОК при циклическом нагружении, определяемая по формуле:

где h0 – начальная глубина трещины;

N0 – предельное число циклов нагружения.

Примечание: В случае, когда расчет требуется провести при отсутствии острых выявленных трещиноподобных дефектов, глубина которых превышает пороговый уровень чувствительности применяемого метода и средств НК, начальная глубина трещины h принимается равной допускаемой глубине трещины hтр. То же относится к использованию данной методики расчета для определения количества циклов Np в (3.27).

где с – параметр;

– коэффициент интенсивности упругопластических деформаций где m – параметр;

– коэффициент интенсивности напряжений, в данном случае рассчитывается для максимальной глубины трещины h0 и максимальной усредненной рабочей нагрузки по В случае расчета металлоконструкций из листового металлопроката находящегося под внутренним давлением среды проводится расчет предельного разрешенного давления с использованием параметров трещиностойкости.

где с - разрушающее окружное напряжение для ОК с трещиной где - относительная глубина трещины, вычисляемая по начальной глубине трещины h0, либо принимаемой равной допускаемой глубине тр;

тр – степень снижения разрушающих напряжений;

b – разрушающие кольцевые напряжения для бездефектной трубы с учетом характеристик циклической трещиностойкости где 0,2 – условный предел текучести;

m – параметр по формуле (3.40).

- 141 РЕСУРСНОЕ ОБСЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ

МАГНИТНЫМ МЕТОДОМ НК

Магнитный метод НК используется для контроля изделий из металлопроката. Одним из направлений его применения является определение механических свойств ферромагнитных материалов [24, 241…243]. Известно, что магнитные и физикомеханические свойства металлов зависят от одних и тех же факторов. Среди них не только химический состав и режимы термической обработки материала, но и накапливаемые повреждения микро- и макроструктуры, такие как: пластические деформации, расположение дислокаций, микро- и макро дислокации, усталостные повреждения и пр. Особенно явно корреляционные зависимости выражены для углеродистых малолегированных сталей.

В ходе эксплуатации в металле происходят структурные изменения, связанные с условиями и режимами работы. Микро- и макродефекты структуры, накопленные в процессе эксплуатации хранят информацию, связанную с максимальными величинами нагрузок, действовавшими на ОК. Таким образом, сам металл оказывается в качестве первичного преобразователя пикового значения приложенной силы в магнитные характеристики материала. Магнитные параметры, однозначно связанные с количественными нарушениями структуры металла, являются отображением режима работы конструкции.

Одним из магнитных параметров материалов с успехом используемым в магнитном методе НК, является коэрцитивная сила Hc [242, 244-247]. Данная магнитная величина однозначно связана с остаточной пластической деформацией нагружения металлоконструкции в ходе их эксплуатации (3.59). Обе величины возрастают при циклическом нагружении ОК. Hc – напряженность магнитного поля, необходимая для размагничивания ферромагнетика предварительно намагниченного до насыщения.

где Hc – коэрцитивная сила, Bост – остаточная индукция, Е – модуль упругости, K – коэффициент напряжения, n – коэффициент упрочнения.

металлоконструкций выполненных из ферромагнитных сталей с коэрцитивной силой в пределах от 1 до 40 А/см. Для его реализации в ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР» разработан магнитный структуроскоп МС- Остаточная деформация аналогичных параметров.

где – амплитуда нагружения.

Магнитный структуроскоп МС-10 применяется в магнитном методе НК не только для определения магнитных свойств металла с целью разбраковки металла по партиям, характеристикам температурной обработки и т.д., но и для определения текущего состояния металлоконструкций в ходе их эксплуатации. При его использовании в качестве коэрцитиметра возможно определение нижеследующих параметров контроля:

напряженного состояния металла конструкций и сооружений;

механических свойств ферромагнитных сталей;

структуры ферромагнитных сталей;

совместимости металлов основы и новых вкладок при проведении ремонтных По результатам проведенных измерений структуроскопа МС-10 возможно проводить оценку следующих величин:

уровня максимальных нагрузок, приложенных к ОК в процессе эксплуатации;

уровня остаточных напряжений;

уровня упругопластических деформаций в металлоконструкциях;

оценки остаточного ресурса металлических узлов в процессе эксплуатации;

выявление наиболее нагруженных узлов;

прогнозирование работоспособности узлов и конструкции;

оценка остаточного ресурса изделий и конструкций из металлопроката.

Большинство изделий металлопроката, применяемых в конструкциях относятся к классу рузупрочняемых сталей. Коэффициент упрочнения для них составляет: n 0,1, а коэрцитивная сила в состоянии поставки относительно невелика: Hc = 1…10 А/см. Для металлопроката из таких сталей существует корреляция физико-механических и магнитных свойств с коэффициентом корреляции не мене 0,9. Корреляционная зависимость Ст 3, Ст 20 при режимах статического нагружения > 0,2 показана на риcунке 3.1.

Именно высокий уровень корреляции позволяет по величине коэрцитивной силы не только проводить контроль накопления повреждений в металле и следить за его пластической деформацией но и прогнозировать долговечность металла на протяжении всего срока эксплуатации металлоконструкций и отдельных элементов.

На точность измерения коэрцитивной силы могут оказывать значительное влияние анизотропия физических и механических свойств металла, приобретенных уже на этапе производства. Ниже аспект анизотропии будет рассмотрен дополнительно. Уменьшение величины измеренной коэрцитивной силы может быть обусловлено целым рядом факторов:

увеличенным диэлектрическим зазором в зоне измерения и увеличенной наличием ржавчины, местными дефектами, смещением преобразователя относительно ОК в ходе проведения измерения Рис. 3.1 Корреляционная зависимость коэрцитивной силы Hc измеренной магнитным На практике магнитный метод НК можно применять при наличии устойчивых соотношениях между показателями качества металла и его магнитными характеристиками.

механическими характеристиками как предел текучести 0,2, действующее напряжение В, остаточная деформация пл и относительное удлинение.

К данному классу сталей относятся Ст 1, Ст 3, Ст 20, Ст 45, Ст 65г, 09Г2С, 10ХСНД, Вмст3, Вст3сп2, Вст3сп4, Вст3сп5, Вст3кл5 и др. Для всех сталей можно построить зависимость между величиной деформации Е при увеличении действующих напряжений В и коэрцитивной силой Hc в процессе ступенчатого нагружения. Проведенные исследования показывают, что Hc остается неизменной и равной вплоть до достижения предела текучести 0,2. Затем коэрцитивная сила Нс в области упруго-пластичных деформаций возрастает вплоть до момента разрушения, соответствующего пределу прочности металла В при. Для сталей Ст 3 и Ст 20 зависимости представлены на рис. 3.2 и рис. 3. соответственно. Контролю подвергались плоские образцы при испытании на растяжение с регистрацией значений коэрцитивной силы при приложении нагрузки и после разгрузки на всем цикле исследования. Размеры образцов – сечение 60х10; протяженность – 200 мм При контроле сварных соединений величина коэрцитивной силы основного металла и сварного шва отличаются, однако сам характер зависимостей остается прежним. На рисунке 3.4 показаны магнитные характеристики металла сварного шва и основного металла при 0,2 = 380 МПа, В = 525 МПа.

Рис. 3.4 магнитные характеристики сварного шва и основного металла при испытании на сталях полученных при линейном растяжении образцов представлена на рисунке 3.5.

Представленные зависимости применяются при определении максимальной нагрузки, которой подвергался ОК в ходе эксплуатации.

Для проведения магнитного контроля с целью определения состояния металла, его остаточного ресурса и сопротивление разрушению при усталости необходимо произвести исследование сопротивления материала циклическим нагрузкам. При проведении исследования к ОК способ нагружения выбирается максимально приближенным к естественным нагрузкам в ходе эксплуатации. Режимы нагружения принято разбивать на четыре группы: легкий; умеренный; тяжелый; предельный.

Первые два режима имеют область (период) в течении которой показания коэрцитивной силы не изменяется. Для четвертой группы нагрузки характерны деформации металла уже при первых циклах нагружения. Таким образом для определения остаточного ресурса необходимо иметь усталостные зависимости для металла зависящие от режима нагружения и частоты приложения нагрузки для циклически нагружаемых ОК. На рисунке 3.6 приведены усталостные зависимости стальных листов марки 09Г2С толщиной 6мм подвергнутых циклическим нагрузкам при четырех режимах отличающихся приложенным усилием:

В зависимости от выбранного режима нагружения коэрцитивная сила преодолевает диапазон от начального значения 3,9 А/см до число циклов. При нагрузках ниже предела текучести 0,2 = 270 МПа коэрцитивная сила не меняется для 60000 циклов При тяжелых режимах накопление повреждений и пластическая деформация ОК начинается с первых же циклов и уже к 50000 циклам достигает.

Следует отметить, что величина критического значения коэрцитивной силы при Рис. 3.6 Усталостные зависимости стальных листов марки 09Г2С и Ст доступной информации о режимах работы ОК и точности построенных зависимостей и номограмм, используемых при проведении контроля.

Магнитный контроль сопротивления разрушению с использованием номограмм заключается в сравнении текущего состояния ОК, измеренное магнитного структуроскопа МС-10 с экспериментальными зависимостями Nц(Hc) для различных режимов нагружения.

Входными данными является максимальное значение Номограмма представляет собой множество экспериментально полученных кривых напряжения для каждого режима эксплуатации ОК от легкого до предельного. Сравнивая полученное значение НС с кривой соответствующей режиму эксплуатации получают значение количества циклов Nд.

Сравнивая текущее значение циклов эксплуатации максимальным получаем остаточное числа циклов ОК:

Остаточный ресурс определяется при известной нагрузке в циклах за день:

где С – число циклов в единицу времени.

В случае, когда для металлоконструкция подвергается циклическому воздействию и известны амплитуда воздействия и их количество в единицу времени, расчет остаточно ресурса Р сводится к простому выражению:

где Сt – число циклов нагружения в единицу времени;

NТ – число циклов, соответствующее пределу выносливости ОК, до его физического Nд – фактическое число отработанных циклов на момент диагностики.

( ) определяется по экспериментально полученным зависимостям либо справочным данным.

периодического контроля магнитного гистерезиса ОК. Он основан, как было указано выше, на закономерностях одновременного роста деформаций в ОК и коэрцитивной силы. Для коэрцитивной силы имеют вид:

где E0 – начальное значение остаточной деформации;

А – коэффициент определяющий скорость роста параметра Е.

где Нс – начальное значение коэрцитивной силы;

В – коэффициент определяющий скорость роста параметра Нс.

Общее число циклов исходя из зависимостей (3.64) и (3.65) представляется в виде:

где постоянные D1 и D2 определяются по итогам трех диагностик разнесенных во времени, т.е. для моментов которым соответствуют количество циклов N0, N0+N1 и N0+N2.:

N0 – число циклов на момент первого измерения. Преимуществом такого способа определения остаточного ресурса является вносимая поправка после каждой проведенной диагностики.

На практике интерес представляет случаи, когда для ОК известна только величина нагрузки, но неизвестна частота ее приложения.

Основным показателем остаточного ресурса Р является величина гамма-процентного ресурса. Гамма-процентный ресурс, это суммарная наработка ОК при которой не будет достигнуто предельное состояние с вероятностью, в %. Использование при проведении НК усталостных номограмм позволяет определять ресурс общей долговечности металла ОК с вероятностью 90% (0,9).

испытываемых ОК нагрузок ось ресурса градуируется в циклах N, сменах С, или используется временная шкала T (рисунок 3.7).

Срок службы металлоконструкции разделяют на этапы, подразделяющиеся по накоплению остаточных деформаций и микроповреждений:

При максимальном значении измеренной магнитным структуроскопом МС- коэрцитивной силы значительно меньшем значения коэрцитивной силе при предельном состоянии (90%). В этом случае металл работает в упругой области, а максимальные напряжения в нем ниже предела При работе металла в области упруго-пластических деформаций, а остаточные напряжения могут достигать физического предела текучести Режим работы ОК при котором наиболее нагруженная часть работает в области упруго-пластической и пластической деформации, а максимальные остаточные напряжения превышают предел текучести металла.

Рис. 3.7 Номограмма контроля металлоизделий из Ст20 и Ст при легком и тяжелом режимах циклического нагружения

- 151 КОМПЛЕКСНАЯ ДИАГНОСТИКА МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ И

МЕТАЛЛОПРОКАТА МАГНИТНЫМИ И ВИХРЕТОКОВЫМИ

МЕТОДАМИ НК

Согласно действующим на сегодняшний день нормативным документам по проведению диагностики состояния металлоконструкций и изделий металлопроката магнитные и вихретоковые методы НК состояния металла применяются повсеместно в различных отраслях. Объем выполняемого ими контроля значительно разнится для различных изделий и объектов. Так при контроле магистральных нефте и газопроводов вихретоковый контроль выполняют в объеме не менее 3 % поверхности труб для выявления стресс-коррозионных дефектов глубиной менее 10 % от толщины стенки труб, а также определения геометрических размеров стресс-коррозионных дефектов, в том числе выявленных сканером-дефектоскопом. Доля ультразвукового контроля и того меньше. Она составляет 0,2% от поверхности труб и не менее 1% сварных соединений. А магнитопорошковая дефектоскопия применятся к 10% выявленных дефектов. В других случаях производится 100% контроль изделий магнитными и вихретоковыми методами НК, например: при проведении ремонтных работ, контроле ответственных балок металлоконструкций и узлов подъемных механизмов. Самые ответственные изделия контролируются многократно на протяжении всего срока службы.

Естественно, такой разброс в подходах диагностирования изделий металлопроката не случаен. Существую многочисленные СНиП, РД, ОСТ и методические указания по проведению диагностики металлоконструкций Существующие методики предписывают применение магнитных и вихретоковых методов в ходе оперативнофункциональной диагностики, экспертном обследовании, так как анализ полученных данных позволяет определить основные параметры технического состояния объекта контроля, установить закономерности их изменения и спрогнозировать остаточный ресурс объекта.

Предлагаемый алгоритм проведения диагностики металлоконструкций и изделий металлопроката предполагает использование взаимодополняющих методов НК с целью уточнения результатов расчетов оценки остаточного ресурса ОК, полученного при использовании существующих методик. Метод предполагает применение приборов магнитного метода контроля МС-10, МФ-23ИМ, ЭМА метода – ЭМАТ-100 и вихретокового метода ВД-12НФП, ВД-90НП, ВД-93 и систем вихретокового контроля ВД-41П, разработанных и производящихся в ЗАО «НИИИН МНПО СПЕКТР».

Алгоритм процедуры контроля.

эксплуатации и рассматриваются факторы, влияющие на снижение надежности ОК.

Определяются справочные данные по материалу ОК, марка, химический состав, прочностные характеристики материала; условия и среда эксплуатации, режимы работы, расчетные нагрузки и т.д. Рассматриваются критерии предельного состояния и механические характеристики, такие как:

предел текучести, предел прочности, твердость, трещиностойкость, пределы выносливости, длительной прочности и т.д., трещиностойкости, устойчивости, при расчетах на циклическую прочность по числу циклов или напряжениям.

Этап №2. Оперативная функциональная диагностика ОК.

Целью проведения оперативной диагностики является получение данных о техническом состоянии ОК, его технологических параметрах и условиях взаимодействия с окружающей средой. На этом этапе проводится регистрация режимов работы ОК и показателей техпроцесса (температура, давление, вибрации и т.д.). Производится регистрация всех перечисленных параметров для сравнения со справочными и расчетными с целью внесения поправок в базу данных накопленных на первом этапе и отличающимися от реальных.

Этап №3. Экспертное обследование.

Цель экспертного обследования – получение максимально полной, на момент контроля, информации о техническом состоянии ОК, т.е. поиск и классификация повреждений, выявлении причин и механизмов их возникновения и развития. Этот этап наиболее интересен, поскольку на нем используется максимальное количество средств и методов НК, а так же проводится сбор информации для проведения расчета остаточного ресурса. ОК Первым проводится визуальный контроль. Его цель выявить крупные дефекты, такие как вмятины, царапины, вырывы, оплавления, вмятины и выпучины, кратеры, газовые поры, непровары, прожоги, раковины, дефекты геометрии. Большинство таких дефектов являются нетрещиноподобными, но могут стать дислокациями напряжений, что, в свою очередь приводит к зарождению трещин и может стать причиной значительного снижения срока службы ОК.

Обязательным является проведение толщинометрии ОК. Наилучшие результаты достигаются при использовании ЭМА толщиномеров (ЭМАТ-100). Основной отличительной корродированной поверхности или через диэлектрическое покрытие. Объем проводимых измерений определяется по методикам проведения контроля и зависит от требуемой погрешности оценки и наличия дефектов. Используя ЭМА-толщиномеры возможно обнаружить вырывы, оплавления, вмятины и выпучины, кратеры, газовые поры, неметаллические включения, непровары, прожоги, коррозионные и эрозионные поражения.

При проведении дефектоскопии изделий металлопроката, хорошо зарекомендовал себя вихретоковый метод НК. На сегодняшний день более трех тысяч приборов вихретокового контроля выпущенны в ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр». С их помощью детектируются трещиноподобные дефекты (закаты, стресс-коррозия, усталостные трещины, холодные трещины сварных соединений, свищи, питтинговая коррозия и др.) Вихретоковые дефектоскопы ВД-90НП позволяют выявлять дефекты на поверхностях с большой шероховатостью, через диэлектрический зазор. Применяются не только для обнаружения трещин, но и для оценки из габаритных размеров.

Магнитопорошковый контроль (МК) применяется при контроле металлопроката для подтверждения выявленных вихретоковым методом дефектов типа трещина. Кроме того при проведении МК становится возможным визуализировать расположение дефекта на поверхности ОК.

Магнитная структуроскопия применяется не так широко как другие перечисленные методы контроля поскольку используется больше для мониторинга состояния ОК на протяжении всего срока эксплуатации объекта. Работа магнитного структуроскопа МС основана на измерении коэрцитивной силы металла ОК и на основе сравнения текущего показания структуроскопа со справочными и (или) предыдущими и на основе изменения магнитных свойств металла ОК делается вывод о снижении его ресурса.

Для проведения экспертного обследования применяются методики и средства НК прошедшие согласования со специализированными организациями и утверждены в Госгортехнадзоре России. Коме того, рекомендованные по использованию методики и аппаратуры должны быть согласованы с регламентирующей действующей нормативнотехнической документацией с учетом требований проектной, монтажной и эксплуатационной документации на обследуемый объект.

Все обнаруженные в ходе обследования дефекты формы, несплошности, трещины и структурные изменения должны быть оформлены в виде протоколов контроля.

Вихретоковый ВД-90 Дефектоскоп Трещина от 0,1мм, сверление сквозное Этап №4 Анализ обнаруженных повреждений.

На этом этапе, основываясь на результатах первых трех этапов, выносится решение о продолжении эксплуатации ОК. Оценивается текущее техническое состояния объекта, уровень и механизм повреждений, фактическая нагруженность.

Анализ включает оценку общей и придельной дефектности по каждому параметру По всем обследованным узлам и деталям выносится решение о дальнейшей эксплуатации, существует 4 группы:

годный – дефекты отсутствуют либо не влияют на функционирование;

годный с ограничениями – ОК продолжает эксплуатироваться, но на меньшей ремонтный – для продолжения функционирования необходим ремонт;

вывод из эксплуатации – ремонт невозможен, либо экономически нецелесообразен.

Итогом анализа становится статистическая информация по параметрам трещиностойкости, скорости роста коррозии общей и точечной, скорость зарождения трещин и их рост от размера допустимой глубины hдоп до глубины разрушения hмакс., Изменения коэрцитивной силы в дефектной зоне и на «чистом» металле Итогом анализа становятся новые значения предельных характеристик ОК для расчета его остаточного ресурса.

Этап №5 Определение остаточного ресурса Остаточный ресурс ОК определяется на основании полученной на этапе экспертной оценки информации, с учетом проведенных ремонтов и анализе полученных результатов.

Остаточный ресурс необходимо устанавливать на основе совокупности имеющейся информации прогнозированием технического ОК состояния по определяющим параметрам до достижения предельного состояния.

В качестве основного показателя остаточного ресурса в результате прогноза определяться - гамма-процентный ресурс. задарется численными значениями:

предельное состояние не будет достигнуто.

После проведенного обследования становятся доступными следующие величииы для проведения расчета остаточного ресурса трубопровода по минимальной вероятной толщине стеноки:

t0 – толщина в начальный момент времени;

tр – измеренная толщина после ремонта стенки;

Рассматриваться в расчете должна именно зона ремонта, поскольку на фоне общей коррозии мы имеем удаление гарантированной части материала tуд :

– пороговая чувствительность дефектоскопа.

из раздела 3.1 получим для = 0,95% остаточный ресурс составит Tp.

В данный расчет вкрадывается ошибка, поскольку он не учитывает снижение вероятности прогноза при увеличении коэрцитивной силы в зоне ремонта по сравнению с телом трубы По номограмме рисунок 3.7, видно, что для ОК в зависимости времени эксплуатации ошибка вызванная изменением структуры металла может составлять десятки % Известно что коэрцитивная сила однозначно связана с остаточной пластической деформацией (Рисунок 3.1).

Из этого следует, что зная Нс и время эксплуатации из номограммы для определения остаточного ресурса можно определить не только количество прошедших циклов нагружения, но и узнать в каком режиме пластических деформаций работает ОК.

Из корреляционной зависимости величина амплитуды нагружения а, чем вносится поправка в расчет оценка малоцикловой долговечности по критерию зарождения трещины из уравнения Менсона - Коффина для данного случая (3.33) определяется новое число циклов до зарождения трещины.

характеризующие ОК расчеты, содержаться гамма-процентный ресурс с вероятностью 90-95%.

1. Предложен метод расчета остаточного ресурса изделий металлопроката подверженных общей коррозии и/или износу стенок по минимальной толщине стенки с учетом общего коррозионно-эрозионного износа.

2. Предложен метод расчета остаточного ресурса металлопроката по характеристикам трещиностойкости.

3. Разработан алгоритм проведения диагностики металлоконструкций и изделий металлопроката с применением взаимодополняющих методов НК с целью уточнения результатов оценки остаточного ресурса ОК, полученной при использовании отдельных методов.

4. Использование визуального, магнитного, вихретокового, магнитопорошкового и ЭМА методов НК при совместном, комплексном контроле позволяет достигнуть полноты диагностики металлопроката с целью определения предельного срока эксплуатации ОК.

5. Показана необходимость учитывать влияние изменения коэрцитивной силы металла в области подверженной стресс-коррозионному растрескиванию в прочностных расчетах.

- 157 КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛОПРОКАТА

При проведении диагностики изделий металлопроката, применяемых в различных областях и предполагающих повышенные требования к надежности объектов необходим комплексный подход к проведению НК. Такой подход позволит не только выявить существующие дефекты и неоднородности металла, но и оценить их влияние на характеристики ОК и скорректировать срок эксплуатации диагностируемого объекта.

Различные методы неразрушающего контроля применяются эксплуатирующими организациями для подтверждения результатов, полученных каждым в отдельности, в тех случаях, когда они позволяют детектировать дефекты одного типа. Либо для исключения белых пятен в информации об ОК, вызванных ограничениями, свойственными каждому методу НК. Такое применение методов НК очевидно и вызвано, прежде всего, экономической целесообразностью. К критериям выбора того или иного метода контроля относятся его трудоемкость, сложность интерпретации результатов проведенного контроля и их документирование, степень автоматизации и количество используемых расходных материалов, влияние человеческого фактора, в том числе и зависимость от требуемой квалификации персонала.

Значительный интерес представляют и не явно выраженные зависимости детектируемых различными методами НК параметрами ОК. Подобный подход позволяет не только выявить уже существующие дефекты металла, но и обоснованно предсказать срок безаварийной эксплуатации изделий металлопроката.

Исследования направленные на развитие комплексного обследования профильного и листового металлопроката, безусловно является важной и актуальной задачей НК.

- 158 ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ МЕТАЛЛА ПРИ

ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

Экспериментальное исследование трещиностойкости при циклическом нагружении образцов было проведено с целью определение степени влияния участков труб подверженных стресс-коррозионному растрескиванию в ходе эксплуатации после проведения на них ремонтных работ. Исследованию были подвергнуты образцы двух групп.

1-группа – образцы, изготовленные из металла, при контроле которого не было обнаружено трещиноподобных дефектов и коррозионных поражений.

2-группа – образцы, изготовленные из металла областей подвергнутых стресскоррозионному растрескиванию. Максимальная глубина стресс-коррозионного поражения этих областей не превышала 0,25…0,3 мм. Измерение глубины трещин проводилось с использованием вихретокового дефектоскопа ВД-90НС производства преобразователем «Тип-1» Иа5.125.051. Ремонт выполнен шлифовкой. Измерение толщины удаленного слоя выполнено измерением остаточной толщины толщиномером ЭМАТ-100, так же выпускаемый в ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР» [250, 251]. Удаленный слой 0,5±0,3 мм.

Проведены исследования трещиностойкости материалов – сталей марки 09Г2С и 10ХСНД и сварного соединения, выполненного РДС электродом ЭА400/10Т по штатной технологии. Механические свойства материалов приведены в таблице 4.1.

930°С, воздух 10ХСНД термообработки Материал сварного шва Для исследования анизотропии свойств листового металлопроката на первом этапе испытаний были проведены тесты трещиностойкости бездефектных участков материала.

Они проведены с целью определения степени влияния анизотропии магнитных свойств Анизотропия подтверждена измерением в двух взаимно перпендикулярных направлениях (радиальное и осевое). Для определения коэрцитивной силы металла использовался магнитный структуроскоп МС-10 производства ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР» [252, 253].

Исследованию определения трещиностойкости были подвергнуты плоские образцы, вырезанные из различных участков трубы. Образцам соответствует металл шва (I), металл зоны термического влияния (II), металл тела (III) и зоны сплавления (IV) (рисунок 4.1). На образцах выполнен надрез, соответствующий осевому и радиальному направлению.

Рис. 4.1 Сварное соединение: I – зона металла сварного шва;

электроэрозионным способом в центре образца вдоль стороны 60. Глубина надреза 3 мм, раскрытие надреза 0,15 мм, радиус основания 0,13 мм. Расположение надрезов в металле соответствует их отображению на рисунке 4.2 ОК. 1 – в зоне металла шва; 2 — в зоне сплавления; 3 — в зоне термического влияния; 4 — в основном металле; х – в осевом направлении хр – в радиальном направлении.

электрогидравлической машине PC.400S производства «Schenck» (Германия).

Рmax=400 кН (40 т) (место проведения – НПО «ЦНИИТМАШ»). Условия испытаний:

коэффициентах асимметрии цикла R1 = 0 и R2 = 0,7.

Испытания выполнялись в соответствии с методическими указаниями нормативного документа РД50-435-82 [255].

На рисунках 4.3 и 4.4 представлены результаты экспериментов по измерению скорости роста трещин в образцах, полученных из основного металла марок 10ХСНД и 09Г2С. Представлены результаты в сравнении для трещин расположенных по осевому и радиальному направлениям.

Скорость роста трещин лежит в диапазоне от 10-Е9 до 20-Е7.

условиях для осевого (1) и радиального (2) направлений Рис. 4.4 Скорость роста трещин в стали 09Г2С при симметричном нагружении и нормальных условиях для осевого (1) и радиального (2) направлений в скорости роста трещин в радиальном направлении ниже по сравнению с осевым, корреляционные прямые 3 и 4 на рисунке 4.5. Для марки 10ХСНД различие не столь очевидно. При испытаниях для этой стали получены близкие результаты скорости роста трещин ориентированных в обоих направлениях (рисунок 4.5 корреляционные прямые 1 и 2).

Рис. 4.5 Корреляционные прямые скорости роста трещин при 1 и 3 - для осевого направления; 2 и 4 - для радиального направления;

Исходя из полученных результатов дальнейшее исследование проводилось для стали марки 09Г2С с целью определения скорости роста трещин в области сварного шва, зоне сплавления и зоне термического влияния. На рисунках 4.6…4.8 представлены результаты исследования этих зон. Кривая 1, каждого из рисунков, соответствует трещине с осевой ориентацией, а прямая 2 трещинам с радиальной. Больший разброс результатов измерения скорости роста трещин у радиальных вариантов обусловлен большей неоднородностью свойств металла зон по сравнению с телом основного металла.

Существующее различия в уровнях циклической трещиностойкости металла объясняемое имеющимися отклонениями в химическом составе образцов, различием механических свойств сталей, обусловленное вариативными параметрами режимов термообработки стальных листов в процессе производства.

нормальных условиях для осевого (1) и радиального (2) направлений Рис. 4.7 Скорость роста трещин в зоне сплавления сварного шва ЭА400/10Т и 09Г2С при симметричном нагружении и нормальных условиях для осевого (1) и радиального (2) направлений нагружении и нормальных условиях для осевого (1) и радиального (2) направлений Средние значения показаний магнитного структуроскопа МС-10 при измерении каждого типа испытательных образцов сведены в таблицу 4.2.

Таблица 4.2. Средние показания магнитного структуроскопа при измерении образцов стали марки Результат исследования скорости роста трещин в металле позволяет сделать следующие выводы:

Анизотропия магнитных свойств листового металлопроката, измеренная при помощи магнитного структуроскопа МС-10, подтверждается исследованием скорости роста трещин при циклическом нагружении образцов. Наибольшее различие полученных телу листа.

Меньшее различие в скорости роста трещин отмечено в зоне термического влияния сварного шва, что коррелирует с меньшей анизотропией свойств в осевом и радиальном направлениях.

Хотя наибольшая скорость роста трещин получена для металла сварного шва, анизотропия свойств у него не отмечено, что подтверждено скоростью роста разнонаправленных трещин.

Из исследования циклической трещиностойкости практический интерес имеют следующие факты:

­ максимального повышения скоростей роста трещин в зонах сплавления и ­ циклическая трещиностойкость зон сплавления и термического влияния сопоставима с циклической трещиностойкостью основного металла;

­ скорость роста трещин в зонах сварного шва до двух раз выше в сравнении с Линейная аппроксимация результатов исследования сведена в таблицу 4.3. В качестве основного параметра использован угловой коэффициент регрессионной прямой :

Зона сплавления

- 166 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОБЛАСТЕЙ МЕТАЛЛА

ПОДВЕРЖЕННЫХ СТРЕСС-КОРРОЗИИ НА

ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ

При проведении ремонта областей подверженных стресс-коррозионному растрескиванию производится удаление слоя материала с гарантированным перекрытием глубины залегания основания трещины. Однако структура измененного металла в таких областях сохраняет иные магнитные свойства по сравнению с бездефектными областями. На рисунке 4.8 приведен пример. Показана область металла подверженная стресс-коррозионому растрескиванию (рис. 4.8б) и показания магнитного структуроскопа МС-10 произведенный с шагом 1см в радиальном и осевом направлениях (рис. 4.8а) Рис. 4.7 Результаты коэрцитиметрии (а) образца (б) в осевом и радиальном направлениях обнаруживались с использованием вихретокового дефектоскопа ВД-90НС. После удаления защитного покрытия результат вихретокового контроля подтверждался магнитопорошковым дефектоскопии и для магнитолюминесцентной дефектоскопии, выпускаемые в ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр». В этот комплект входит: облучатель ультрафиолетовый портативный УФО-3-3500; Намагничивающее устройство УН-5 и аэрозоль Circle Safe 850А.

Проекция результатов магнитного и вихретокового контроля на образец с полученным на нем рисунком магнитного порошка представлены рисунке 4.8.

Рис. 4.8 Результаты магнитного (а) и вихретокового (б) контроля спроецированные на ОК После проведения ремонтных работ из различных зон ОК были вырезаны образцы для проведения исследований их циклической трещиностойкости. Испытания проведены при тех же условиях и режимах, что и для образцов из не бывшего в эксплуатации металла.

Образцы для текущего исследования получены из труб находящихся в эксплуатации около 24 лет.

материала с внутренней поверхности образца.

На рисунке 4.9 приведены результаты исследования роста трещин в зависимости от их ориентации для образцов полученных из ремонтных областей основного металла. Видно что разница характеристик трещиностойкости сохраняется после срока эксплуатации и проведенного ремонта.

Рис. 4.9 Скорость роста трещин в основном металле зоне проведенного ремонта при симметричном нагружении и нормальных условиях для осевого (1) и радиального (2) направлений симметричном нагружении и нормальных условиях для осевого (1) и радиального (2) направлений На рисунке 4.11, 4.12 показаны результаты, полученные при исследовании образцов взятых из бывшей в эксплуатации трубы. Показаны регрессии для бездефектных зон основного металла, зоны термического влияния; зоны шва и ремонтной области основного металла.

Рис. 4.11 Скорость роста трещин в образцах, полученных из бездефектных зон основного металла (1) зоны термического влияния (2) зоны шва (3) и ремонтной области основного металла (4) (1) зоны термического влияния (2) зоны шва (4) и ремонтной области зоны термического влияния (2) На рисунке 4.13 показаны результаты исследования трещиностойкости для осевого и радиального направлений ремонтных областей основного металла и металла зоны термического влияния.

Рис. 4.13 Скорость роста трещин в образцах, полученных из бездефектных областей основного металла (1, 3) и ремонтных областей (2, 4) в радиальном направлении (1, 2) и осевом (3, 4) распространенных осевых трещин в образцах, полученных из бездефектных областей основного металла; зоны термического влияния; зоны сплавления; и соответствующих ремонтных областей, а также для металла шва.

Рис. 4.14 Скорость роста трещин в образцах, полученных из бездефектных областей основного металла (1) зоны термического влияния (2) и зоны сплавления (3) и соответствующих ремонтных Из приведенных выше данных очевидна корреляция коэрцитивной силы образцов и их характеристика трещиностойкости. Также полученные результаты показывают меньшую скорость распространения радиальных трещин в сравнении с осевыми для областей металла с выраженной анизотропией магнитных свойств, сохраняющейся в металле в течение всего срока эксплуатации.

На рисунке 4.15 приведены результаты изменения скорости роста трещин для нового металла и металла бывшего в эксплуатации.

5, 6, 7 - металл из эксплуатации осевое направление бездефектная область 8, 9, 10 металл из эксплуатации ремонтная область Полученные результаты соответствуют закономерностям характерным для металлопроката, а именно, наибольшие скорости развития трещин наблюдаются в тех случаях, когда направление распространения трещины совпадает с направлением проката.

Эффект связан с характеристиками текстуры металла, полученной под внешним механическим воздействием, и соответствующей ориентацией неметаллических включений, так же способствующей ускоренному продвижению трещины. В радиальном направлении скорость обычно меньше, и связано это еще и с отсутствием изгибающих напряжении в данном направлении.

- 173 ВИХРЕТОКОВЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛА

Использование вихретокового неразрушающего контроля позволяет получить максимально количество информации об электромагнитных свойствах ОК и его неоднородностях, вызывающих изменение внешних приложенных электромагнитных полей.

Применение многопараметрового вихретокового контроля позволяет отстраиваться от различных влияющих факторов, тем самым обособив требуемую область исследования.

Отстройка позволяет решать задачи, не имеющие однозначного ответа, при возможности рассмотрения и использования лишь одного параметра.

Металлургическая отрасль динамично развивается, появляются новые марки сталей, и параллельно с ними образуются и новые задачи для специалистов НК. Так при строительстве морской части газопроводов «Северный поток» и «Южный поток»

используются уникальные Одно-шовные трубы, изготовленные из стали марки Х65, которые рассчитаны на сверхвысокое рабочее давление 28,45 МПа диаметром 813 мм и толщиной стенки 39 мм покрытые изоляционным электро-непроводящим защитным покрытием толщиной в диапазоне 3…7 мм на внешней поверхности и до 1 мм на внутренней..

Задача выявления повышенной твердости поверхностного слоя через защитное покрытие такой толщины до этого времени в мире не решена.

Оборудование, использованное при проведении контроля:

Вихретоковый дефектоскоп ВД-90НП зав. № 035, производства ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр».

Условия проведения вихретокового контроля:

тип преобразователей - накладной дифференциальный Тип-2, стандартный образец (СО) - Иа8.896.104 с искусственными дефектами (0.3 и материал СО – Сталь45, Паллета газовой трубы марки Х65 с зоной локального упрочнения, предоставленная ОАО «ВМЗ», дочерним предприятием ЗАО «Объединенная металлургическая компания»

(рисунок 4.16).

Определить возможность выявления мест локальных упрочнений превышающие 245НС и поверхностных дефектов типа трещина с помощью вихретокового метода, в том числе для величины рабочего зазора до 8 мм.

Было проведено сканирование паллеты дефектоскопом ВД-90НП с целью выявления границ зоны упрочнения, результаты сканирования представлены в табличном (4.4) и графическом виде на рисунке 4.17.

-480 -400 -390 -450 -460 -780 -780 -780 -740 -780 -690 -750 - С целью определения возможности контроля через электро-непроводящую изоляцию было проведено исследование изменения показаний при изменении рабочего зазора от 0 до 7 мм. Показания были сняты в точке «А» (зона локального упрочнения в которой сигнал дефектоскопа был максимален) относительно точки «О» (зона компенсации, соответствующая нулевому сигналу дефектоскопа) отмеченные на рисунке 4.16.

Полученная зависимость изменения сигнала фазового канала дефектоскопа представлена на рисунке 4.18.

Рис. 4.18 Показания дефектоскопа ВД-90НП в зоне максимума локального упрочнения наиболее подходящем для автоматизации контроля, произведено сканирование поверхности образца по линии А-Б, пересекающей зону локального упрочнения и существующий дефект типа одиночная трещина.

Рис. 4.19 Временная развертка показаний ВД-90НП по линии А-Б На рисунке.4.20 представлен сигнал вихретокового дефектоскопа полученный для участка А-Б в режиме непрерывной передачи данных на ПК. На принятом сигнале видны изменение показаний характерные для зоны локального упрочнения, а также для уже образовавшегося в зоне контроля дефекта несплошности типа трещина.

Рис. 4.20. Показания ВД-90НП по линии А-Б, переданные в ПК, фазовый канал Проведены измерения влияния зазора на чувствительность вихретокового дефектоскопа ВД-90НП к изменению твердости материала ОК. Изменение сигнала амплитудного канала дефектоскопа представлена на рисунке 4.21.

Рис. 4.21 Показания амплитудного канала дефектоскопа ВД-90НП при отрыве ВТП от изменению показаний фазового канала для двух точек «О» - ряд 1 и «А» - ряд 2, а также аппроксимирующее их параболы :

Для точки «О» - ряд 3: у=-90(x-5,4) +1263;

Для точки «А» - ряд 4: у=-80(x-5,4) +1640.