Применение магнитного метода для оценки напряженного состояния стальных конструкций

Р.В. Агиней, Ю.А. Теплинский, А. С. Кузьбожев, Н.П. Богданов

ПРИМЕНЕНИЕ МАГНИТНОГО МЕТОДА ДЛЯ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Выполнено исследование магнитной анизотропии в сплавах Ст2, Ст4 при изотермическом деформировании растяжением при помощи коэрцитиметра КРМ-ЦК-2М. Установлена зависимость анизотропии коэрцитивной силы и величины интенсивности напряжений в действующем газопроводе. Обоснована возможность использования прибора КРМ-ЦК-2М в качестве индикатора при ранжировании трубопроводов и других конструкций по уровню напряжений.

В настоящей работе исследовано изменение магнитной анизотропии в сплавах Ст2, Ст4 при изотермическом деформировании растяжением. В качестве объектов исследований использовали плоские образцы с размером поперечного сечения 5x50 мм и длиной рабочей части 280

мм. Механические опыты проводили на разрывной установке МР-100. Магнитные измерения

осуществляли при помощи коэрцитиметра КРМ-ЦК-2М, позволяющего определять коэрцитивную силу магнитного материала Нвблизи плоской поверхности образца согласно методам,

изложенным в [1,2]. Для заданного представительного участка поверхности образца определяли коэрцитивную силу для четырех направлений: два значения Н и Н для осевых направлений, а также два значения Н и Н для направлений, перпендикулярных осевому. После

этого находили средние значения коэрцитивных сил в параллельном и перпендикулярном направлениях к оси образца согласно соотношениям

По значениям Н\\ и Н1 определяли степень магнитной анизотропии материала по формуле

а =

Опыты осуществляли следующим образом: плоский образец защемляли в установке МР-100 и деформировали его поэтапно, увеличивая уровень нагрузки на величину ДР =5кН и доводя образец до стадий развитых пластических деформаций. После каждого этапа нагружения деформирование прекращали и осуществляли замеры соответствующих значений коэрцитивных сил Нс. и находили величины Н|, Н1 и а по формулам (1) и (2).

Ниже на рис. 1 представлена типичная для исследуемых сплавов диаграмма деформирования. По таким диаграммам определяли величину предела текучести у 02, используя программный пакет МаШса^

На рис. 2 представлена зависимость магнитной анизотропии от величины растягивающих напряжений для сплавов Ст2 и Ст4.

Кривые на рис. 1 и 2 свидетельствуют о том, что на начальных стадиях деформации (в упругой области) наблюдается заметный рост магнитной анизотропии б, который прекращается при значениях напряжений у , несколько превышающих величину предела текучести у02. При последующем пластическом деформировании указанные величины изменяются по нисходящей линии. Анализ полученных данных показывает, что в условиях одноосного напряженного состояния объекта с ростом уровня напряжений увеличивается степень магнитной анизотропия б металла, которая прекращается при значениях напряжений, близких к у02. Возможно, что введенный выше безразмерный коэффициент б может эффективно использоваться и при анализе сложного напряженного состояния.

Р и с. 1. Диаграмма деформирования сплава Ст 4

В качестве примера, иллюстрирующего эффектив-

ность использования магнитного метода, ниже приведены данные натурных исследований напряженного состояния надземного трубопровода, где исследована функциональная зависимость анизотропии коэрцитивной силы Нс , как функция от интенсивности внешних напряжений о^. для труб из малоуглеродистых сталей, длительно эксплуати-Р и с. 2. Зависимости магнитной анизотропии от величины растя- руемых надземных трубопро-

гивающих напряжений для сплавов Ст2 (1) и Ст4 (2) водов, с целью выявления воз-

можности практического использования магнитного метода для оценки уровня напряжений.

В данном случае магнитную анизотропию оценивали как

где Н1 и Н|| значения коэрцитивных сил соответственно в осевом и поперечном направлениях трубы. Интенсивность о^. определяли традиционным для механики твердого тела методом [3]:

(С

z z

где s и s кольцевые и осевые напряжения. Значения s находили, использую приближе-к z к

ние тонкостенных оболочек [4]:

s =, (D

к {28

где Р - давление газа внутри трубы, D и 8 соответственно внешний диаметр и толщина трубы.

Для произвольного поперечного сечения, задаваемого осевой координатой z и имеющего величины отклонений осевой линии трубы от проектного положения в вертикальном и горизонтальном направлениях соответственно х и у, находили значения sметодом конечных элементов, используя программный пакет “Cosmos M”.

Наличие и характер зависимости ДНс = f (ai) в условиях двухосного напряженного состояния конкретно исследовали для пяти участков действующего надземного газопровода Ух-та-Войвож (0325x10 мм и 0426x10 мм), проложенного на А - образных опорах, со сроком эксплуатации 50-52 года на отрезке общей протяженностью 95км.

На рис. 3 представлены результаты расчетов и измерений на изгибно-напряженном участке трубопровода величин si и DHc, выполненных на основе методов, развитых в [1-3]. Графическое обобщение результатов с использованием программного пакета Microsoft Excel 97 позволяет получить зависимость ДНс = f (si), описываемую следующим выражением (с коэффициентом корреляции R=0,89):

АНС = (2 -10-7s3 - 8 -10-5s2 + +0,0143 st - 0,0167) A /см .

Изложенный выше материал позволяет заключить следующее.

Р и с. 3. Зависимости расчетных значений механических на- Установлена зависимость

пряжений si (1) и магнитной анизотропии DHc (2) от величи- аниз°тр°пии к°эрцитивн°й силы

ны осевой координаты z, полученные на изгибно-напряженном от уровня напряженно-

участке газопровода Ухта-Войвож. деформированного состояния дей-

ствующих трубопроводов в условиях плосконапряженного состояния по результатам измерений коэрцитиметра КРМ-ЦК-2М, реализующим магнитный метод контроля. Обоснована возможность использования прибора в качестве индикатора при ранжировании трубопроводов и других конструкций по уровню напряжений.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Новиков В.Ф., Яценко Т.А., БахаревМ.С. Зависимость коэрцитивной силы малоуглеродистых сталей от одноосных напряжений (часть 1) // Дефектоскопия. 2001. Ч1. №11. С. 51-57.

2. Мужицкий В.Ф., Попов Б.Е., Безлюдько Г.Я. Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса стальных металлоконструкций подъемных сооружений и сосудов, работающих под давлением // Контроль. Диагностика. 2000. № 9. С 48 - 50.

3. Малинин. Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1968. 400 с.

4. ФеодосьевВ.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1972. 544 с.

УДК 539.4

И.Н. Андронов, С.К. Овчинников, С.В. Крючков

ВЛИЯНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ТРЕНИРОВКИ НА ПОВЕДЕНИЕ СПЛАВА ТН-1 В УСЛОВИЯХ ПРОЯВЛЕНИЯ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПАМЯТИ ФОРМЫ

Исследовано влияние предварительной термоциклической тренировки под напряжениями, превышающими действующие, на деформационные характеристики сплава ТН-1 в условиях реализации циклической памяти формы (ЦПФ). Показано, что предварительная термоциклическая тренировка материала под напряжениями, превышающими действующие, приводит к существенному повышению значений деформационных характеристик ЦПФ.

Является установленным фактом, что многие сплавы с обратимыми мартенситными превращениями, например, Т1№, СиМп и др., способны демонстрировать заметное частично или полностью обратимое формоизменение [1-4], если их подвергнуть термоциклированию через интервалы мартенситных переходов в нагруженном состоянии. Причем при нагревании происходит восстановление деформации против действия внешней нагрузки, обозначаемое термином- эффект памяти формы (ЭПФ), а при охлаждении деформация растет в направлении внешней силы, т.е. имеет место эффект пластичности прямого превращения (ППП). В ряде работ показано, что материалы с ЭПФ могут быть использованы в качестве рабочего тела тепловых машин циклического действия [1,6]. Для этого сплавам необходимо сообщить свойства многократно обратимой (циклической) памяти формы (ЦПФ) [1-4]. В выше отмеченных работах показано, что при теплосменах под нагрузками через интервалы мартенситных переходов указанные металлы по истечении некоторого числа термоциклов имеют стабильные, независимые от числа циклов значения деформаций ЭПФ, ППП. Приведенные величины являются деформационными характеристиками ЦПФ. Для управления свойствами ЦПФ необходимо менять силовые режимы термоциклирования. В результате возникает вопрос о влиянии предварительной термоциклической тренировки на свойства ЦПФ в условиях теплосмен под нагрузками. К сожалению, в настоящий момент по данной тематике имеется ограниченный объем публикаций [5].

Систематическое изучение этого вопроса дает возможность понять природу ЦПФ и позволит дать практические рекомендации по использованию материалов данного класса в различных инжерено-технических приложениях.

В качестве объектов исследований использовали сплошные цилиндрические образцы длиной и диаметром рабочей части соответственно 33 и 4 мм, выполненные из сплава ТН - 1 в условиях поставки. Образцы испытывали в режиме кручения.

Опыты осуществляли следующим образом: материал нагружали в мартенситном состоянии механическим моментом М, который создавал во внешнем волокне некоторое напряжение т и сдвиговую деформацию у, после чего термоциклировали через интервалы прямых и обратных мартенситных переходов до тех пор, пока характеристики ЦПФ (т.е. деформации, связанные с ЭПФ и ППП) не принимали установившиеся значения. После этого аналогичную проце-