Комбинированный способ исследования деформаций и напряжений
COMBINED METHOD OF STRAIN AND STRESS RESEARCH

Изобретение относится к исследованию деформаций и напряжений и может быть использовано для исследования деформаций и напряжений в деталях, например, в элементах металлических конструкций инженерных сооружений, а также в конструкциях опасных производственных объектов газо- и нефтехимической промышленности.
Изобретение относится к исследованию деформаций и напряжений с помощью акустико-эмиссионного (АЭ) способа и метода хрупкого тензочувствительного покрытия (ХП).
Известен акустико-эмиссионный способ контроля, включающий установку преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ) на предварительно зачищенные контактные поверхности /Руководящий документ. ПБ 03-593-03 «Правилам организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов». Способы крепления ПАЭ должны обеспечивать надежный акустический контакт с поверхностью. Соединительные кабели крепят с помощью магнитов, бандажей, прижимов таким образом, чтобы избежать их натяжения в процессе испытания. После установки ПАЭ проводят проверку работоспособности АЭ аппаратуры и настройку ее каналов с помощью калибраторов и имитаторов сигналов АЭ, выбираемых в зависимости от конкретных условий испытаний. АЭ контроль проводят при ступенчатом нагружении объекта контроля. Накопление, запись и оперативную обработку данных АЭ контроля проводят с помощью специального программного обеспечения, входящего в состав акустико-эмиссионных систем.
Выбор покрытия и методика нанесения зависят от состояния исследуемой конструкции и условий ее испытания. Наносят тонкий слой покрытия, применительно к требуемым характеристикам тензопокрытия, выбирают режим нагружения. В хрупком покрытии появляются трещины, которые фиксируются на чертеже, и отмечается нагрузка, при которой эти трещины возникли. Из трещин выходит газ фреон. В зонах трещинообразования хрупкого покрытия производят локализацию мест, в которых с применением характеристик тензочувствительности может быть произведена оценка значений главных напряжений и деформаций. Анализируя образующиеся в хрупком покрытии картины трещин, из которых выходит газ фреон, можно оценить нагруженность различных зон исследуемой конструкции, установить направления действия главных напряжений и определить уровень этих напряжений.
Недостатком известного способа является то, что для хорошей видимости трещин необходима фотосъемка, определенное освещение, и, если требуется заснять большой участок поверхности, покрытие предварительно обрабатывается проникающими красителями. Сама методика обработки данных трудоемка. Использование возможностей хрупких тензочувствительных покрытий ограничено необходимостью наличия покрытия, имеющего соответствующие свойства.
Основная задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, - это создание для оценки прочности и безопасности сложных технических систем хрупкого покрытия, безвредного для человека и окружающей среды. В тонком слое хрупкого покрытия при деформации наблюдается освобождение газа фреона, находящегося в пористом хрупком покрытии, в процессе ее нагружения. Анализируя количество и скорость освобождения фреона из пористого хрупкого покрытия, можно оценить не только нагруженность различных зон исследуемой конструкции, но и определить уровень этих напряжений с применением характеристик тензочувствительности хрупкого покрытия на очень ранней стадии нагруженности конструкций.
Задачей, на решение которой направлено техническое решение, является разработка способа определения напряжений и деформаций с помощью пористых хрупких покрытий в сочетании с акустико-эмиссионным методом с учетом безопасного влияния на окружающую среду.
Это изобретение - хрупко-акустический метод - позволит на более ранних стадиях определять локальные повреждения металлических конструкций, контролировать образование возможных трещин.
При осуществлении технического решения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении точности и оперативности за счет того, что перед АЭ контролем на исследуемую поверхность наносят слой пористого хрупкого покрытия, а также снижении вредного воздействия на окружающую среду и повышении экологической безопасности способа. Нанесение хрупкого пористого тензочувствительного покрытия позволит повысить сверхчувствительность волн напряжения вследствие высвобождения фреона из пористого хрупкого покрытия. По наличию деформации покрытия определяют наличие дефектов. Оценка напряженно-деформированного состояния опасных объектов будет проводиться оперативнее. Предлагаемое техническое решение предусматривает дистанционное наблюдение за контролируемыми объектами.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе исследования деформаций и напряжений в деталях, например в элементах металлических конструкций инженерных сооружений, с помощью хрупко-акустического метода, предусматривающего проведение следующих действий: нанесение хрупкого тензочувстительного покрытия на исследуемую поверхность детали, отверждение покрытия, установку модуля с датчиками преобразователей акустической эмиссии, особенностью является то, что в качестве покрытия используют хрупкое пористое покрытие с фреоном, содержащее эпоксидную смолу, отвердитель ПЭП, газ фреон R-22 при следующем соотношении компонентов, мас.%: эпоксидная смола 65-84, отвердитель ПЭП 14-33, газ фреон R-22 2-10.
Полученная информация после обработки используется для выявления и локализации (местонахождения) возможных дефектов (трещин или зон пластической деформации) в деталях (конструкциях) при их разрушении, которые могут привести к катастрофе и человеческим жертвам. Кроме того, заявляемый способ является экологически чистым, и не оказывает вредное воздействие на окружающую среду.
Определение деформаций и напряжений методом хрупких тензочувствительных покрытий с использованием АЭ измерительного комплекса обеспечивает:
- возможность обнаружения и регистрации локальных развивающихся дефектов на ранних стадиях их образования и развития;
- классифицирование дефектов по размеру и опасности;
- выявление дефектов и наблюдение механизма образования и развития в рабочих условиях;
- контроль всего объекта в целом, используя один или несколько модулей с датчиками ПАЭ, неподвижно установленных на поверхности объекта;
- проведение постоянного дистанционного мониторинга;
- моделирование возможных повреждений рабочих поверхностей деталей (конструкций).
Хрупкое пористое тензочувствительное покрытие позволит повысить сверхчувствительность волн напряжения вследствие высвобождения фреона из пористого хрупкого покрытия, появится возможность обнаружения дефектов на ранних стадиях образования и развития, проводить постоянный дистанционный мониторинг за механизмом образования и развития дефектов в рабочих условиях, обеспечить контроль всего объекта в целом. Используя программное обеспечение, вся полученная информация отображается на мониторе в виде графического и текстового представления, что облегчает последующую обработку полученных данных.
Заявляемый способ был опробован на деталях, металлических образцах (длина - 280 мм, ширина - 60 мм, толщина - 2,0 мм). Использовался акустико-измерительный комплекс Лель /А-Line 32D (DDM)/.
Способ осуществляется следующим образом.
На поверхность исследуемой детали нанесли тонкий слой хрупкого пористого тензочувствительного покрытия с фреоном. Использовали покрытие на основе смеси, содержащей эпоксидную смолу, отвердитель ПЭП, газ фреон R-22 при следующем соотношении компонентов, мас.%: эпоксидная смола 65-84, отвердитель ПЭП 14-33, газ фреон R-22 2-10.
Данный состав смешивается при нормальных условиях в весовых частях. Последовательность приготовления хрупкого пористого покрытия с фреоном: отмеряется необходимое количество эпоксидной смолы, затем, перемешивая, добавляется требуемое количество отвердителя ПЭП. Затем при помешивании в данный состав через специальное устройство вводится газ фреон. После образования густой консистенции состав наносится на образец.
Технология приготовления покрытия проста, не требует высоких затрат. Приготовленная смесь используется сразу же, при помощи лакового нанесения. Покрытие отверждается при температуре 0-35°С, влажности 0-85%. Изменение условий влияет лишь на скорость отверждения. Для нанесения покрытия на образцы использовался штапель.
Тарировочные испытания проводились при температуре воздуха 5, 10, 15, 25°С, влажности 18-70%.
Для нанесения покрытия на образцы - сталь 3 использовался штапель. При тарировочных испытаниях образец консольно закрепляли и нагружали на свободном конце.
Для получения сопоставительных данных приготовленную смесь наносили на образцы размерами 280×60×2,0.
После отверждения покрытия устанавливают модули с датчиками преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ) согласно известной методике /Паспорт. Акустико-измерительного комплекса Лель / A-Line 32D (DDM)/. - 22 с./. Для чего поверхность исследуемой детали в месте установки модуля или модулей с датчиками ПАЭ зачищают от нанесенного покрытия. Затем наносят контактную смазку и устанавливают датчики на исследуемой детали к предполагаемому месту прогиба и в местах образования трещин. Первый датчик устанавливают в начале - ближе к месту закрепления конца исследуемой детали (балки), второй - через определенное расстояние, например, на образце исследуемой детали 150 мм.
Соединяют модуль или модули между собой и с компьютером для передачи и обработки данных. Подготавливают к работе программное обеспечение и компьютер, входящий в измерительный комплекс. В работе используют операционную систему Windows 9Х и программу сбора и обработки данных A-Line.
Проводят процесс нагружения исследуемой детали, испытание на прогиб путем закрепления конца детали. Вследствие треска хрупкого пористого тензочувствительного покрытия с фреоном в момент нагружения в местах деформаций и напряжений, происходит высвобождение фреона из пористого хрупкого покрытия, образуются сигналы акустико-эмиссионные. Каждый датчик принимает сигналы, и программа осуществляет графическое и текстовое представление полученных данных на мониторе по ходу эксперимента: амплитуда (дБ), суммарная амплитуда (дБ), интенсивность, суммарная активность, количество событий, накопление событий, энергия, длительность (мкс), время нарастания (мкс), выбросы, уровень шума (дБ).
В программе предусмотрены два основных режима работы системы: режим сбора данных и режим постобработки. В режиме сбора данных при осуществлении измерения скорости распространения АЭ сигнала, спектрального анализа формы АЭ сигнала программа осуществляет графическое и текстовое представление данных на экране монитора по ходу эксперимента. В ходе эксперимента мы наблюдаем локационные графики, отображающие результаты локации дефектов и соответствующие им распределения амплитуды источников АЭ по координатам, гистограммы измерения скорости и затухания АЭ сигналов.
В хрупко-акустическом методе при нагружении детали начинает работать само покрытие. Благодаря своим свойствам покрытие издает треск, происходит высвобождение фреона из пористого хрупкого покрытия, которое улавливается АЭ сигналом, и на мониторе графическое изображение отображает локации дефектов на участке исследуемой детали, где появился сигнал и наблюдается деформация металлической конструкции.
Хрупкое пористое тензочувствительное покрытие с фреоном предшествует появлению дефекта, т.е. в месте образования деформации или трещины за счет высвобождение фреона из пористого хрупкого покрытия и треска покрытия появляется АЭ сигнал на несколько порядков раньше, чем бы он появился на исследуемой детали классического хрупкого покрытия. В зонах уже существующих деформаций и дефектов покрытие указывает на степень опасности. Таким образом, хрупкое пористое тензочувствительное покрытие с фреоном повышает чувствительность АЭ сигнала.
При нанесении хрупкого пористого тензочувствительного покрытия с фреоном на сильно поврежденную деталь (конструкцию) большой площади при невысоких безопасных уровнях нагрузки выявляются зоны повреждения. При дистанционном наблюдении на мониторе появляются АЭ сигналы, характеризующие дефекты по степени опасности. Это позволяет проводить постоянный контроль на стадии образования и разрушения детали (конструкции). Хрупкое пористое тензочувствительное покрытие с фреоном можно использовать на любых инженерных сооружениях и опасных производственных объектах.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает определение общих и локальных упругопластических деформаций и дефектов на всех стадиях их образования и развития, дает оценку существующим дефектам и осуществляет мониторинг за источниками акустико-эмиссионных сигналов контролируемых объектов металлических конструкций - резервуаров и сосудов давления, трубопроводов, буровых платформ, атомных и химических реакторов и других инженерных сооружений, а также обеспечивает безопасность проведения постоянного мониторинга неразрушающего контроля и технического состояния опасных объектов и безопасность окружающей среды, с более высокой чувствительностью в связи с повышением акустических сигналов за счет пористости покрытия и истечения газа.