Оптимизация выбора методов неразрушающего контроля для обнаружения усталостных повреждений элементов механического оборудования

Выпуск 3

ВОДНЫЕ ПУТИ, ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ И ПОРТЫ

УДК 658.58 М. Л. Кузьмицкий,

д-р техн. наук, СПГУВК;

Н. М. Ксенофонтов,

инженер-исследователь,

СПГУВК

ОПТИМИЗАЦИЯ ВЫБОРА МЕТОДОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ МЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

OPTIMIZATION OF THE CHOICE OF THE METHODS OF NONDESTRUCTIVE TESTING FOR THE DETECTION OF FATIGUE DAMAGE OF ELEMENTS OF

MECHANICAL EQUIPMENT

В статье рассмотрена возможность оптимизации выбора методов неразрушающего контроля для обнаружения усталостных повреждений элементов механического оборудования, находящегося в эксплуатации, с учетом свойств усталостных повреждений и реальных условий проведения контроля.

In this article the possibility of optimizing the choice of methods of non-destructive control for detection of fatigue damages of elements of mechanical equipment is in operation, taking into consideration the properties of the fatigue damage and the real conditions of carrying out the control.

Ключевые слова: эксплуатация, механизм, циклическое нагружение, усталостные трещины, неразрушающий контроль, чувствительность, влияющие факторы, выявляемость.

Key words: operation, mechanism, cyclic loading, fatigue cracks, non-destructive testing, sensitivity, influencing factors, detectability.

телеи:

НАСТОЯЩЕЕ время используется значительное количество механического оборудования (далее — МО) долговременного пользования, различного по назначению, конструктивному и технологическому исполнению, но имеющего ряд общих показа-

длительный срок эксплуатации;

- индивидуальный или мелкосерийный характер изготовления элементов;

— малую степень отработки конструкций из-за небольшого числа эксплуатируемых аналогичных изделий и ограниченной возможности проведения полномасштабных испытаний;

— неучтенные при проектировании воздействия, число которых возрастает со временем эксплуатации;

- многочисленные восстанавливающие воздействия, выполняемые по различным технологиям;

— большие габариты и стоимость изделий и их элементов;

— возможность эксплуатации аналогичных изделий в различных условиях [1].

Указанное оборудование является, например, составной частью гидротехнических сооружений, судов различного назначения, энергетических комплексов, технологического оборудования многих отраслей промышленности и т. д.

университета водных ___________________коммуникаций

Из-за широкого диапазона скоростей процессов старения элементов такого оборудования (коррозионное изнашивание, изнашивание трением, накапливание механических повреждений и деформаций, усталостное и коррозионно-усталостное разрушение) его технический уровень поддерживается по системе обслуживания и ремонта по фактическому состоянию, тенденция к переходу на которую наметилась и для более типовых изделий. Составной частью таких систем является техническая диагностика, которая, в частности, решает задачу своевременного выявления эксплуатационных дефектов до достижения ими опасных показателей.

Элементы таких механических систем подвергаются расчетным и нерасчетным динамическим нагрузкам, которые имеют циклический характер, что предопределяет возможность образования усталостных повреждений на отдельных участках деталей.

Возникновению и развитию их способствуют:

пониженный уровень циклической прочности материала;

наличие конструктивных и технологических концентраторов напряжений;

— воздействие циклических нагрузок, вызывающих напряжения, близкие к пределу усталости;

наличие поверхностных механических повреждений;

высокая и неравномерная шероховатость поверхности.

Процесс развития усталостных повреждений является длительным, в отличие от процессов образования технологических дефектов и других повреждений, появление которых связано с действием напряжений, превышающих предел прочности материала [1].

Усталостные трещины, как правило, образуются на поверхности, а также в зоне действия конструктивных или технологических концентраторов напряжений.

Основными параметрами дефектов типа трещины являются раскрытие a (ширина), глубина h и протяженность l (длина), определяющие, с одной стороны, опасность разрушения детали и, с другой — вероятность их выявления различными методами (рис. 1).

Рис. 1. Схематичное изображение трещины

Выполненные исследования усталостных трещин [1; 2, с. 44-47; 3] позволили установить их некоторые специфические отличия.

Полости усталостных трещин во многих случаях заполнены продуктами истирания и коррозии стенок, а также смазочными материалами [3].

При наличии коррозионно-активной среды в устье усталостных трещин, образовавшихся в угловых переходах, во многих случаях наблюдаются коррозионные повреждения, размер которых значительно превышает коррозионные повреждения на цилиндрической поверхности (рис. 2).

Выпуск 3

Выпуск 3

Рис. 2. Коррозионная раковина, ставшая очагом образования усталостной трещины

По глубине усталостные трещины имеют извилистый характер (рис. 3), что может быть вызвано:

— выборочным развитием по наименее прочным участкам материала детали;

— изменением условий внешнего нагружения;

— перераспределением напряжений, обусловленных развитием трещины;

— влиянием соседних близко расположенных трещин, дефектов материала, полей остаточ-

ных напряжений [4].

Вершина

Устье

Рис. 3. Распространение усталостной трещины по материалу детали

Усталостные трещины имеют переменное сечение (рис. 3), а также малое раскрытие по сравнению с технологическими трещинами.

Выявить усталостные повреждения на относительно раннем этапе их развития позволяют методы неразрушающего контроля, такие как ультразвуковой контроль (УЗК), магнитопорошковая дефектоскопия (МПД) — для ферромагнитных материалов, вихретоковый контроль (ВТ) и капиллярные методы контроля, далее будет рассматриваться цветная дефектоскопия (ЦД).

При эксплуатационном контроле МО возникает проблема оптимального выбора того или иного метода контроля или их комбинации, так как в нормативно-технической документации, как правило, отсутствует четкая его регламентация. Фактическая эффективность неразрушающих методов контроля (чувствительность и вероятность выявления дефектов) значительно отличается от указанных в нормативной документации [5-7], в зависимости от характеристик дефектов и условий проведения контроля.

Рациональный выбор методов для выявления усталостных трещин может быть сделан только с учетом основных параметров реальных дефектов, их расположения и условий проведения контроля, влияние которых на чувствительность и вероятность оценивается совокупностью коэффициентов К, учитывающих:

— заполнение полости дефекта (КП);

— коррозионное разрушение полости устья трещины (КК);

— форму стенки трещины (КИ);

— переменное сечение трещины (КС);

— величину размеров трещины (раскрытие, протяженность) (Кр);

— ориентацию трещины (КО);

— геометрию контролируемого участка (Кф);

— нестабильность электрических (Ко) и магнитных (К|о) свойств металла контролируемой детали;

— повышенную шероховатость контролируемой поверхности (Кд);

— структурную неоднородность материала (КН);

— условия проведения контроля (КТ).

Значения указанных коэффициентов К. могут изменяться от 1 (высокая вероятность выявления дефекта с чувствительностью, указанной в [5-8]) до 0 (возможность допуска дефектов размерами, даже значительно превышающими приведенные в [5-8]).

При ультразвуковом контроле чувствительность и вероятность выявления дефектов зависит:

— от формы стенки трещины (КИ < 1) и ее ориентации (КО < 1), которые приводят к изменению отражательной способности дефекта;

— геометрии контролируемого участка — из-за появления дополнительных отражателей акустического сигнала (Кф < 1);

Выпуск 3

Выпуск 3

— шероховатости контролируемой поверхности — из-за изменения условий ввода ультразвуковых колебаний (Кя < 1);

— наличия локальных участков химической и структурной неоднородности, имеющих другие акустические свойства (КН < 1).

При УЗК значения коэффициентов КП, КС, Ко ^ 1.

На чувствительность и вероятность выявления дефектов магнитопорошковым контролем влияет:

— коррозионное разрушение полости устья трещины — из-за осаждения магнитного порошка в коррозионной раковине независимо от наличия трещины (КК < 1);

— ориентация трещины, так как наилучшее ее выявление обеспечивается в случае, когда магнитные силовые линии в намагниченной детали направлены под прямым (или близким к нему) углом к плоскости трещины (КО < 1);

— геометрия контролируемого участка — из-за возможного образования полей рассеивания на участках изменения формы детали независимо от наличия трещины (Кф < 1);

— нестабильность магнитных свойств, изменяющая распространение магнитных силовых линий (К|о, < 1);

— повышенная шероховатость, при которой образуются множественные локальные поля рассеивания в корневой части выступов, а также ухудшаются условия стекания магнитной суспензии (Кк < 1).

Значения коэффициентов КП, КИ, КС и Ко при использовании МПД ^ 1.

Для капиллярных методов контроля следует учитывать:

— наличие предварительного заполнения полости и коррозионного разрушения полости устья трещины, которые влияют на проникновение пенетранта в полость дефекта (КП < 1) и на качество капиллярного контакта проявляющего состава с устьем трещины (КК < 1);

— переменное сечение трещины, затрудняющее заполнение ее полости пенетрантом

(К < 1);

— геометрию контролируемого участка, в результате чего изменяются условия удаления проникающего пенетранта (Кф < 1);

— шероховатость поверхности, определяющую условия удаления проникающего пенетран-та с контролируемой поверхности (Кя < 1).

Значения коэффициентов КО, КМ Ко при использовании ЦД ^ 1.

У вихретокового метода чувствительность и вероятность выявления дефектов зависят:

— от коррозионного разрушения полости устья трещины — из-за отличия геометрии локального контролируемого участка от геометрии участка, по которому производилась настройка прибора

(К. < 1);

— нестабильности электрических свойств отдельных участков детали, влияющей на величину вихревых токов (Ко < 1);

— нестабильности магнитных свойств, вызывающих изменение распространения вихревых токов (К|о, < 1);

— повышенной шероховатости, по причине вынужденного уменьшения настройки порога чувствительности прибора (Кя < 1).

Значения коэффициентов КП, КИ, КС, КО и Кф при использовании ВТ ^ 1.

Вероятность выявления трещины для перечисленных методов также зависит от ее размеров (раскрытие, протяженность, для УЗК — минимальный размер отражателя) (Кр < 1), ограниченной предельной чувствительности методов неразрушающего контроля. При эксплуатационном контроле достижение предельной чувствительности всех методов неразрушающего контроля, как правило, маловероятно (Кр < 1) из-за условий его проведения (совершенство технологий, реальные возможности используемого оборудования, доступность контролируемого участка, квалификация персонала, освещенность и т. д.) (КТ < 1).

Исследования количественного влияния отдельных факторов на эффективность выявления

усталостных трещин представлены в работе [2]. Однако они не позволяют без дополнительных исследований дать количественную оценку фактической чувствительности и вероятности выявления дефектов при использовании рассматриваемых методов контроля.

Однако приведенный анализ зависимости К. для различных методов контроля, результаты выполненных исследований [1-3] и многолетний опыт эксплуатационного контроля позволяют произвести качественную оценку эффективности методов контроля в зависимости от К. (табл. 1), что дает возможность повысить уровень оптимизации выбора методов контроля в реальных условиях.

Таблица 1

Влияние свойств усталостной трещины и состояния контролируемого участка на ее выявление методами неразрушающего контроля

№ п/п Рассматриваемые параметры Методы контроля

УЗК МПД ЦД ВТ

1 2 3 4 5 6

Свойства усталостной трещины

1 Заполнение полости трещины КП

2 Коррозионное разрушение полости устья трещины КК

3 Форма стенки трещины КИ

4 Переменное сечение трещины КС

5 Величина размеров трещины Кр

6 Ориентация трещины КО

Состояние контролируемого участка

7 Геометрия контролируемого участка Кф

8 Нестабильность электрических свойств Ко

9 Нестабильность магнитных свойств Кц

10 Повышенная или различная шероховатость Кк

11 Химическая и структурная неоднородность КН

Примечание:

— 0 < К. > 1

Выпуск 3

Выпуск 3

С учетом информации, представленной в табл. 1, при выборе методов неразрушающего контроля с учетом свойств вероятных дефектов, их размеров, ориентации и состояния контролируемой поверхности должны исключаться те из них, у которых среди совокупности коэффициентов

имеются К ^ 0.

1

В общем случае вероятность выявления усталостных трещин определяется как произведение коэффициентов

Оптимальным методом является тот, для которого в конкретных условиях получены наибольшие значения Р при достаточной чувствительности. Для повышения надежности выявления дефектов рекомендуется дублирование контроля несколькими методами.

1. Выполненные исследования [1-3] показали, что выявляемость усталостных трещин методами неразрушающего контроля зависит не столько от предельной чувствительности самих методов, сколько от параметров дефектов и условий проведения контроля.

2. С учетом особенностей усталостных трещин и условий эксплуатационного контроля разработаны рекомендации по оптимизации выбора методов контроля для их выявления.

3. Для выполнения количественной оценки эффективности выявления усталостных трещин методами неразрушающего контроля требуются дополнительные исследования.

1. Кузьмицкий М. Л. Оценка и прогнозирование технического состояния элементов судоходных гидротехнических сооружений при эксплуатации: автореф. / М. Л. Кузьмицкий. — СПб.,

2. Кузьмицкий М. Л. Влияние коррозионного повреждения контролируемой поверхности на выявляемость усталостных трещин / М. Л. Кузьмицкий // Судоремонт флота рыбной промышленности: сб. — Л.: Транспорт, 1974. — Вып. 25.

3. Кузьмицкий М. Л. Исследования усталостных повреждений деталей / М. Л. Кузьмицкий,

Э. Ф. Хомич. // Сб. трудов молодых научных работников. — Л.: ЛИВТ, 1974. — 100 с.

4. Фридман Я. Б. Строение и анализ изломов металлов / Я. Б. Фридман, Т. А. Гордеева, А. М. Зайцев. — М., 1960. — 91 с.

5. ГОСТ 21105-87 Контроль неразрушающий. Магнитопорошковый метод.

6. ГОСТ 18442-80 Контроль неразрушающий. Капиллярные методы. Общие требования.

7. РД-13-03-2006 Методические рекомендации о порядке проведения вихретокового контроля технических устройств и сооружений, применяемых и эксплуатируемых на опасных производственных объектах.

Выводы

Список литературы

1999.