СПОСОБ СТЕНДОВЫХ АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ НА ОБРАЗЦАХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
METHOD FOR BENCH ACOUSTIC-EMISSION MEASUREMENTS ON SAMPLES OF MATERIALS AT CRYOGENIC TEMPERATURES

Предлагаемое изобретение относится к области технической диагностики, в частности к способам стендовых акустико-эмиссионных измерений при криогенных температурах. На практике предлагаемое изобретение может быть использовано для сбора статистической информации параметров сигналов акустической эмиссии при стендовых испытаниях на разрыв образцов металлов при криогенных температурах. Способ позволяет производить распознавание зарождения и наблюдение развития трещин в материалах образцов при температурах от -182°C и ниже.
Современное развитие криогенной техники неотъемлемо связано с разработкой и внедрением материалов, пригодных для работы в условиях низких температур. Основными критериями выбора материалов являются механические свойства и сопротивление хрупкому разрушению при рабочих температурах, совместимость с рабочими жидкостями и влияние воздействия внешней среды, характеристики физических свойств, технологичность, обусловленная их свариваемостью, а также экономические факторы [1].
Опыт использования криогенной техники показывает, что на резервуары для хранения криогенных жидкостей воздействует множество эксплуатационных факторов, которые могут привести к нарушению герметичности последних. Необходимость определения надежности и долговечности криосистем, уточнение возможности продления их эксплуатации за расчетный ресурс является одной из задач криогенного металловедения.
С целью определения зон, потенциально склонных к возникновению коррозионных трещин различных типов, необходимо использовать упреждающие методы, которые позволят разработать систему дополнительного контроля, регистрировать динамику изменений и предупреждать появление опасного для эксплуатации дефекта, а также устанавливать объем и сроки ремонта оборудования [2].
Одним из упреждающих методов является проведение стендовых испытаний на малоцикловую усталость материалов образцов методом акустической эмиссии в соответствии с требованиями ГОСТ [3, 4].
В настоящее время в промышленности для проведения диагностики криогенного оборудования с целью его технического освидетельствования используется метод акустической эмиссии [5-9], который реализуется с использованием пневмонаддува. При этом фиксирование сигналов происходит под действием внутренних давлений без учета напряжений, вызванных криогенными температурами непосредственно в процессе эксплуатации.
Аналогами предлагаемого способа являются способы с оборудованными стендами, включающими в свой состав разрывную универсальную испытательную машину, акустико-эмиссионный комплекс, криостат (криокамеру), сосуд Дьюара [10, 11, 12]. Основными недостатками данных способов проведения стендовых испытаний являются:
- отсутствие в промышленности пъезопреобразователей сигналов акустической эмиссии, имеющих диапазон рабочих температур ниже минус 120°C [10];
- необходимость размещения пъезопреобразователей внутри криостатов, что усложняет их конструкцию [10];
- необходимость поддержания заданных значений температур во время разрыва образцов [11]. (В данном способе образцы охлаждались в сосуде Дьюара и разрывались на стенде при комнатной температуре. При быстрой смене температуры происходит нарушение кристаллической решетки металла, меняются его физические и химические свойства. В связи с чем нельзя говорить об объективности полученных результатов.)
Прототипом предлагаемого способа является способ проведения акустико-эмиссионных испытаний, представленный в [12], заключающийся в размещении звуковода на компактном образце с помощью специального компаунда и прижима, обеспечивающих надежный акустический контакт. Через крышку криостата звуковод выведен в зону с комнатной температурой, где к нему прикрепляются датчики акустической эмиссии.
Недостатками способа прототипа являются:
а) необходимость дорогостоящего оборудования;
б) необходимость дополнительной герметизации внутренней полости криокамеры в месте вывода звуководов;
в) невозможность проведения эксперимента в лабораторных условиях, необорудованных промышленной криокамерой.
На фиг. 1 и фиг. 2 представлены стенд и встроенный криотермос для реализации предлагаемого способа стендовых акустико-эмиссионных измерений на образцах материалов при криогенных температурах. Встроенный криотермос собирается непосредственно на образце для испытаний. Все места соединения цилиндров с крышками цилиндров и образцом герметично соединяются с помощью клея (холодной сварки). Исключение составляет соединение цилиндра криостата с крышкой цилиндра в месте расположения концентратора образца.
Волноводы криотермоса представляют собой конструкцию из двух частей: первая - металлический стержень с резьбой на конце, вторая часть - металлический стержень, на одном конце которого закреплена гайка, на другом - площадка для креплениям пезоэлектрическиих датчиков. Первая часть волноводов (с резьбой на конце) закрепляется на образце холодной сваркой, через сверления в крышке цилиндров, при этом необходимым условием является размещение волноводов, как можно ближе к концентратору, что и определяет конструкцию криотермоса.
Для охлаждения вся конструкция постепенно помещается в сосуд Дьюара, где внутренние полости цилиндров заполняются жидким азотом через специальные отверстия, сделанные в стенках цилиндров. После охлаждения (не менее 30 мин) вся конструкция устанавливается в зажимы универсальной растягивающей машины. Волноводы собираются в единую конструкцию посредством резьбового соединения. Производится разрыв образца с фиксированием сигналов акустической эмиссии.
Все наладочные и настроечные работы аппаратуры производятся на предварительном этапе, что обеспечивает быстроту проведения эксперимента и объективность полученных результатов.
Габаритные характеристики встроенного криотермоса ограничиваются длинной образца и внутренним диаметром горловины сосуда Дьюара.
Сущность изобретения заключается в обеспечении совокупности существенных признаков, которые находятся в причинно-следственной связи и обеспечивают достижение заявляемого результата: замер параметров сигналов акустической эмиссии во время эксперимента при температуре в месте концентратора образца минус 196°C. Для достижения этого результата в качестве дополнительного оборудования было спроектировано специальное устройство, получившее название «встроенный криотермос», выполненный из термопластичного полимера - полистирола (фиг. 1 (позиция 14), фиг. 2).
Существенными признаками изобретения являются:
a) поддержание заданных параметров температур в месте концентратора образца при проведении эксперимента;
b) возможность фиксирования, накопления и обработки сигналов акустической эмиссии при исследовании зарождения и развития трещин в образцах при заданных параметрах рабочих (криогенных) температур;
с) возможность использования промышленных пъезопреобразователей акустической эмиссии в соответствии с их эксплуатационным диапазоном температур.
В качестве примера на Фиг. 3 представлена таблица результатов стендовых испытаний на разрыв образца из сплава АМц, оборудованного акустико-эмиссионным комплексом «Ресурс-2».
Таким образом, предлагаемый способ может найти широкое применение в научно-исследовательских институтах, учебных заведениях и специализированных организациях по изучению свойств материалов при криогенной температуре, так как отличается простотой реализации, доступностью и возможностью получения большого массива статистической информации с целью дальнейшего исследования зарождения и развития трещин в образцах материалов при криогенных температурах.
Литература
1. Солнцев Ю.П., Степанов Г.А. Материалы в криогенной технике. Справочник. - Ленинград: «Машиностроение», 1982. - 311 с.
2. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение. - СПб.: Химиздат, 2007. - 783 с.
3. ГОСТ 22706-77 Металлы. Методы испытания на растяжение при температурах от минус 100 до минус 263°C. - М.: 1977. - 19 с.
4. ГОСТ 25.506-85 Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. - М.: 1985. - 66 с.
5. Патент РФ №2305217 / Кинжагулов И.Ю., Михальченко С.М., Пеньков М.М., Наумчик И.В.; Заявлен: 29.05.2006, опубликован: 27.08.2007.
6. Беляков В.П. Криогенная техника и технология. - М.: Энергоиздат, 1982 г. - с. 49-52.
7. Мирзагов В.А. Автореферат на тему: «Разработка методики акустико-эмиссионного контроля криогенного оборудования с учетом влияния параметров акустического канала». - М., 1994 г. / http: //tekrniosfera.com/razrabotka-metodiki-akusriko-emissionnogo…
8. Мирзагов В.А., Копченов А.В. Техническое диагностирование и продление срока службы вагонов-цистерн для перевозки криогенных продуктов. // Безопасность труда в промышленности. №1. 2010 / http: //www.vestipb.ru/articles3541.html.
9. Костюков В.М., Науменко А.П., Чикарин В.А., Шакирзанов М.Г. Диагностирование криогенных резервуаров с термоизоляционным кожухом. // Химическая техника, 2006 г., №5. - с. 7-9.
10. Акустическая эмиссия при фазовом переходе в монокристаллах полутораокиси ванадия. // Физика твердого тела, 2000 г. Том 42, выпуск 2-й. с. 322-325.
11. Безверхий В.Ф., Бырин В.Н. О возможности прогнозирования ресурса металлических конструкций по параметрам сигналов акустической эмиссии. / РАН Дефектоскопия, 1998 г., выпуск 7. - с. 15-24.
12. Методы исследований и испытаний материалов. http: // expertmeet.org/topic/ 17387-методы-исследований-и-испытаний-материалов /.