СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
METHOD FOR DETERMINING MECHANICAL STRESSES IN STEEL STRUCTURES

Изобретение относится к области оценки технического состояния конструкций и может быть использовано для определения механических напряжений, например, в стальных трубопроводах надземной прокладки.
Известен способ измерения механических напряжений в трубопроводах, работающих под давлением, в котором на контрольном образце трубопровода с нулевыми значениями продольных напряжений, в качестве которого выбирают прямолинейный подземный участок трубопровода, измеряют значения параметра магнитного шума, определяют пересчетный коэффициент пропорциональности, регистрируют значение параметра магнитного шума металла трубопровода в месте контроля и по их значениям судят о напряжениях в трубопроводе (патент РФ №2116635, МПК G01L 1/12, G01N 27/83, опубл. 27.07.98).
Недостатком способа является сложность выбора участка трубопровода с нулевыми продольными напряжениями, т.к. прямолинейность участка не гарантирует нулевые продольные напряжения в металле трубопровода, что снижает точность измерения напряжений.
Известен способ определения напряжений, основанный на получении при растяжении образцов металла с различной деградацией структуры, зависимостей анизотропии коэрцитивной силы от растягивающих напряжений в образцах и оценке напряжений в конструкции с помощью полученных зависимостей с учетом фактической структуры металла (патент РФ №2281468, МПК G01L 1/12, G01N 27/83, опубл. 10.08.2006).
Недостатком способа является невозможность определять напряжения при сложнонапряженном состоянии металла конструкции. Например, для трубопроводов характерно плосконапряженное состояние стенок (осевые и кольцевые напряжения).
Наиболее близким к заявляемому способу является способ определения напряженного состояния стальных конструкций, взятый нами в качестве прототипа (В.Ф.Мужицкий, Б.Е.Попов, Г.Я.Безлюдько. Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса стальных металлоконструкций подъемных сооружений и сосудов, работающих под давлением. // Дефектоскопия. - 2001. - №1. - С.38-46).
В известном решении растягивают образец материала, вырезанного из материала, аналогичного материалу конструкции, в процессе растяжения измеряют коэрцитивную силу. Получают зависимость коэрцитивной силы от приложенного напряжения для данного материала. Затем проводят измерения коэрцитивной силы металла конструкции и определяют напряженное состояние с помощью полученной зависимости.
Недостатком известных способов является большая погрешность (около 30-40%), обусловленная тем, что при испытании образцов металла на растяжение происходит поперечная деформация сжатия, которая в значительной степени влияет на измеряемую коэрцитивную силу и, соответственно, на построенную зависимость.
Задачей изобретения является создание способа, применение которого позволяет повысить точность определения механических напряжений в стальных конструкциях.
Поставленная задача в способе определения механических напряжений в стальных конструкциях, включающем изготовление образца из материала, аналогичного материалу конструкции, нагружение образца, получение зависимости коэрцитивной силы от величины напряжений в образце, измерение коэрцитивной силы металла конструкции и определение величины напряжения с помощью полученной зависимости, решается тем, что образец изготавливают в виде полого цилиндра, а нагружения образца выполняют созданием в нем избыточного внутреннего давления жидкой или газовой среды или его изгибом, при этом при испытании образца и определении напряжений в конструкции ориентируют датчик коэрцитиметра таким образом, чтобы направление создаваемого магнитного потока совпадало с направлением действия определяемых напряжений.
На чертеже представлена зависимость коэрцитивной силы от растягивающих и сжимающих осевых напряжений.
Способ реализуют следующим образом. Изготавливают цилиндрические полые образцы металла из материала, аналогичного материалу конструкции, напряженное состояние которой необходимо определить. С определенным шагом нагружают образец внутренним давлением жидкой или газовой среды, находящейся внутри цилиндра, для создания плосконапряженного состояния, вызываемого растягивающими напряжениями в осевом и кольцевом направлениях, или изгибают образец для создания осевых напряжений растяжения-сжатия. Для каждого шага нагружения определяют напряжения в образце расчетным или другим способом, например, с помощью электротензоизмерений.
На каждом шаге нагружения измеряют коэрцитивную силу, при этом магнитный поток датчика коэрцитиметра ориентируют соосно с направлением определяемых напряжений. Строят зависимость коэрцитивной силы от напряжений в образце (чертеж).
Измеряют коэрцитивную силу металла конструкции, ориентируя датчик по направлению действия оцениваемых напряжений, и определяют напряжения с помощью полученной зависимости.
Пример.
Необходимо определить осевые напряжения в трубопроводе, вызванные изгибом в вертикальной плоскости. Трубопровод выполнен из труб марки стали 17Г1С. Диаметр трубопровода 1420 мм, толщина стенки трубы 16 мм. Из марки стали 17Г1С изготавливают полый цилиндр (фрагмент трубы) в масштабе 1:10 (диаметр образца 142 мм, толщина стенки 1,6 мм). Длина образца 1 м.
Монтируют электротензорезисторы на образце. Пошагово (с шагом 50 МПа) с помощью домкрата изгибают образец относительно его продольной оси и фиксируют электротензорезисторами деформации (соответственно, напряжения) в областях сжатия и растяжения до достижения изгибными напряжениями значений ±200 МПа.
На каждом шаге испытания измеряют коэрцитивную силу, ориентируя датчик коэрцитиметра так, чтобы направление магнитного потока совпадало с направлением определяемых напряжений, т.е. для данного примера вдоль оси цилиндрического образца. Измерения выполняют для областей растяжения и сжатия металла.
Строят график зависимости коэрцитивной силы от напряжений растяжения-сжатия (чертеж).
Измеряют коэрцитивную силу металла трубопровода в зоне сжатия, расположенной в верхней части трубопровода, ориентируя датчик коэрцитиметра вдоль оси трубопровода (Нс=4,4 А/см), а также в зоне растяжения в диаметрально противоположной точке (на нижней поверхности) трубопровода (Нс=2,95 А/см).
Вследствие того что коэрцитивная сила имеет наибольшую корреляцию со сжимающими напряжениями, при определении напряжений преимущественно используют фрагмент зависимости, построенный по результатам измерения в области сжатия.
По полученной зависимости определяют, что изгибные напряжения составляют около 90 МПа. Эти данные подтверждаются результатами измерения в зоне растяжения - около 95 МПа.
Аналогичные результаты можно получить, построив зависимость при нагружении образца внутренним избыточным давлением газовой или жидкой среды, например моторного масла.
Для этого пошагово нагружают образец избыточным внутренним давлением до достижения величины 4,5 МПа, при этом в металле образца возникают кольцевые растягивающие напряжения величиной около 200 МПа. На каждом шаге нагружения измеряют коэрцитивную силу, ориентируя датчик коэрцитиметра так, чтобы направление магнитного потока совпадало с направлением определяемых напряжений (т.е. перпендикулярно оси образца). По результатам измерения строят график зависимости коэрцитивной силы от кольцевых растягивающих напряжений, возникающих от внутреннего избыточного давления, которая аналогична зависимости, полученной при изгибе образца (правая половина зависимости на чертеже).
Для получения зависимости также можно нагружать образец совместным действием внутреннего давления и изгиба.