Способ определения ресурса стальных изделий
METHOD OF DETERMINING SERVICE LIFE OF STEEL ARTICLES

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля материалов и может быть использовано при неразрушающей оценке ресурса стальных изделий после длительных сроков эксплуатации.
Известны способы оценки ресурса стальных изделий, заключающиеся в том, что из металла изделия вырезают образцы, проводят их испытания на растяжение, сжатие или изгиб, определяют параметры фактических механических свойств, сравнивают эти значения, с зафиксированными в документации на изделие. Определяют величину изменения этих свойств за время эксплуатации и по этому параметру судят о ресурсе изделия (Патенты РФ №№2454648, 2226681, 2108560, Авторское свидетельство СССР №1647356).
Недостатком этих методов является то, что полученные данные о ресурсе можно распространить только на зону вырезки образов, т.е. контроль не достаточно объективен. Кроме того, такой контроль является разрушающим и приводит к выходу из эксплуатации испытываемого изделия, например, действующего трубопровода.
Предлагаемый способ определения ресурса свободен от этих недостатков.
В основу способа положены результаты исследований, проведенных автором при разработке методов неразрушающего контроля механических свойств стальных изделий при воздействии на эти изделия различными нагрузками (усилия, температура и др.)
В процессе этих исследований установлено, что появление в стали деструкции (необратимых изменений) в процессе длительной эксплуатации можно характеризовать величиной пластической деформации, при которой на кривой испытания образцов растяжением в координатах «истинные напряжение-деформация в степени 1/2» наблюдается точка перегиба «точка деструкции» (параметр предложен Рыбаковой Л.М.). В этот момент в металле происходит переход из пластического в пластическидеструкционное состояние.
Такой переход характеризуется скачкообразным изменением скорости прироста деформационного упрочнения, что графически проявляется в виде изменения угла наклона деструкционной кривой.
Исследования показали, что эта точка перегиба для различных сталей наблюдается в диапазоне от 3-х до 8-ми % пластической деформации. При этих деформациях изделие выполняет свои служебные функции, например, артиллерийский снаряд выдерживает ударную перегрузку в 10-12 тыс.g (g - ускорение свободного падения). На этом участке деформирования график функции можно записать в виде:
где S - истинные напряжения, е - истинная деформация.
В то же время при степенях деформации, соответствующих точке деструкции, назовем ее e(D), в стали могут появиться поры и микротрещины, которые являются концентраторами напряжений, способными привести сталь к «внезапному» разрушению. Такое состояние стали не «лечится» термообработкой и эксплуатация изделия в этом состоянии недопустима. В связи с этим предложено использовать состояние материала стального изделия на этом этапе деградации в качестве предельного для эксплуатации. При этом для конкретной марки стали это состояние следует определять по величине пластической деформации образцов, соответствующей первой точке деструкции e(D).
с
Кроме того, при исследовании связи магнитных характеристик стали со степенью деформации стали автором установлено, что коэрцитивная сила стали Н с ростом степени пластической стали возрастает. Эту взаимосвязь можно описать соотношением:
с
Сопоставление уравнений (1) и (2) показывает, что по параметру Нможно проводить оценку деформированности стали, т.е. этот параметр может быть использован для разработки неразрушающего метода контроля степени деформации стали. Но, что более важно, этот параметр может быть использован для оценки степени деструкции стали в процессе эксплуатации, в том числе для оценки ресурса стали, а именно, для оценки ресурса стали до достижения деформации, соответствующей первой точки деструкции.
i
Точки деструкции стали (в том числе первую точку) определяют при испытании стандартных образцов. Проводятся стандартные испытания образов растяжением по ГОСТ 1497-84. При этом записывают полную диаграмму нагрузка деформация в координатах  (Р - нагрузка;  - удлинение образца). По диаграмме с использованием приспособления определяются значения  и соответствующие им P. Схема построения деструкционной диаграммы показана на рисунке фиг. 1.
1/2
Фиг. 1. Схема деструкционной диаграммы в координатах «истинные напряжения S - истинная деформация e», D - точки деструкции, γ - угол наклона графика.
с
1
c
1/2
1/2
D
Фиг. 2. Изменение коэрцитивной силы Н в зависимости от относительной деформации е стали 09Г2С: e(D) - значение относительной деформации в точке деструкции стали; H - значение коэрцитивной силы, соответствующее точке деструкции стали.
Параметры для построения деструкционной диаграммы рассчитывают по формулам:
0
где  - текущие значения истинного напряжения, истинной деформации, нагрузки, удлинения образца соответственно;  и F - начальные длина образца и площадь его поперечного сечения.
1/2
Деструкционную диаграмму строят в координатах S- е (фиг. 1).
1
Точки D на диаграмме (фиг. 1) являются точками деструкции материала. В предлагаемом техническом решении предельной для эксплуатации изделия является его состояние в первой точке деструкции D.
с
Неразрушающее определение величины коэрцитивной силы Н в стальных изделиях выполняют с помощью известных коэрцитиметров, например, КИФМ-1. Коэрцитиметры портативны, имеют выносные датчики. Это позволяет выполнять сканирование поверхности изделия и выявлять точки с максимальной величиной коэрцитивной силы, т.е. с максимальной величиной деструкции. Такой контроль существенно повышает достоверность испытаний, так как позволяет выявлять наиболее ослабленные участки на изделии и проводить оценку ресурса изделия в его самом слабом месте.
Исследования показывают, что на величину коэрцитивной силы, кроме величины пластической деформации, влияют прочностные свойства стали и ее химический состав. В связи с этим для оценки состояния стали по этому параметру (его изменению во времени) необходимо знать, химический состав конкретной стали и его прочность.
В настоящее время разработан ряд неразрушающих методов определения этих параметров.
Так, для определения предела прочности стали можно использовать измерение ее твердости различными методами: статическими (по Бринеллю, Роквеллу или Виккерсу) или динамическими (по Шору и др.). Степень деформации стали не влияет на ее твердость. Связь предела прочности стали с ее твердостью однозначна.
Химический состав стали с высоким разрешением определяется приборами неразрушающего контроля, например, с помощью портативного спектроанализатора ARC-MET 930.
На основании проведенных исследований разработан способ неразрушающего определения ресурса стальных изделий в процессе их эксплуатации.
с
М
Способ заключается в следующем. На испытываемом изделии различными известными способами определяют самую нагруженную зону (наблюдением, расчетом и другими способами). Например, на трубопроводах самая нагруженная зона находится на поверхности трубы в зоне изгиба с минимальным радиусом. В этой зоне с помощью коэрцитиметра выполняют сканирование зоны и фиксируют максимальное значение Н.
В минимально нагруженной зоне изделия выполняют измерение твердости металла и определяют его химический состав.
Изготавливают стандартные образцы из стали с химическим составом, идентичным зарегистрированному в изделии. Термообработкой получают прочность материала образцов с твердостью равной измеренной на изделии.
с
0
На этих стандартных образцах выполняют измерение коэрцитивной силы Н.
1
c
D
Выполняют деформирование образцов и строят диаграмму «истинные напряжения - величина относительной пластической деформации в степени ». На диаграмме фиксируют первую точку деструкции D. Определяют степень деформации, соответствующую первой точке деструкции. На образце со степенью деформации соответствующей первой точке деструкции измеряют коэрцитивную силу H.
Ресурс Р допустимой эксплуатации изделия определяют из соотношения:
c
с
с
с
с
с
D
М
М
0
0
где H - значение коэрцитивной силы в образце, с деформацией, соответствующей первой точке перегиба на графике функции «истинные напряжения - величина относительной пластической деформации в степени », Н - максимальное значение коэрцитивной силы в максимально нагруженной зоне измерения на изделии, С(Н)=(Н - Н)/Т - скорость изменения коэрцитивной силы во времени, Т - время эксплуатации изделия до момента испытаний, Н - значение коэрцитивной силы на образце при нулевой степени деформации.
1
c
1
D
При выполнении расчета ресурса могут быть использованы уже известные данные по величине предельной деструкции (точка D) и значения коэрцитивной силы при такой степени деструкции H для конкретных марок стали. В таблице 1 приведены значения степени деструкции, соответствующие точке D для ряда сталей, экспериментально установленные автором.
В свою очередь, для построения зависимости коэрцитивной силы от степени деформации (линейная функция соотношения (2)) достаточно знать значения коэрцитивной силы для двух значений пластической деформации стали.
с
с
с
с
с
c
0
δ
δ
Для удобства можно использовать значения Н при нулевой деформации, т.е. в исходном состоянии стали (Н=Н) и при напряжениях испытания близких к пределу прочности, т.е. при е=δ. Это значение коэрцитивной силы обозначим Н. Тогда можно записать: Н=H.
Такие данные для ряда исследуемых сталей приведены в таблице 2.
Используя данные таблиц 1 и 2 можно графически определить значения коэрцитивной силы в состоянии, соответствующем первой точке деструкции, т.е. значениям деформаций, приведенным в таблице 1. На фиг. 2 приведен пример выполнения этой операции для стали 09Г2С.
Таким образом, предложенный способ определения ресурса стальных изделий является неразрушающим. Он позволяет на конкретном стальном изделии с помощью известных средств неразрушающего контроля определять состояние материала изделия, и с помощью расчетных соотношений позволяет вычислять ресурс допустимой эксплуатации изделия.
Изложенные сведения о заявленном изобретении, охарактеризованном в независимом пункте формулы, свидетельствуют о возможности его осуществления с помощью описанных в заявке и известных средств и методов. Следовательно, заявленный способ соответствует условию промышленной применимости.