СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
METHOD OF DETERMINING MECHANICAL STRESS 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 (см. патент РФ №2116635, МПК G01L 1/12, G01N 27/83, опубл. 27.07.1998).
Недостатком способа является необходимость выбора участка трубопровода с нулевыми продольными напряжениями, что достоверно сделать сложно, т.к. прямолинейность участка не гарантирует нулевые продольные напряжения в металле трубопровода. Указанный недостаток снижает точность измерения напряжений.
Известен способ определения механических напряжений в материале акустической тензометрией, заключающихся в регистрации изменения скорости распространения упругих волн под влиянием напряжения (см. Химченко Н.В. Акустические методы контроля остаточных напряжений в сварных конструкциях. // Контроль. Диагностика. - 2001. - №4. - С.7-12).
Недостатком способа является необходимость измерения скорости волн с погрешностью, не превышающей 0,01%, и обеспечения надежного акустического контакта между излучателем упругих волн и материалом конструкции.
Известен способ определения напряженного состояния стальных конструкции (см. патент РФ №2281468, МПК G01L 1/12, G01N 27/83, опубл. 10.08.2006).
В известном решении растягивают образцы материала различной степени деформационного старения, в процессе растяжения измеряют анизотропию коэрцитивной силы. Получают зависимости анизотропии коэрцитивной силы от приложенного напряжения с учетом состояния материала. Затем проводят измерения коэрцитивной силы металла конструкции и определяют напряженное состояние с помощью полученных зависимостей.
Недостатками способа являются:
- малая чувствительность способа к напряжениям растяжения, что не позволяет точно определять эквивалентные напряжения в металле конструкций, работающих на растяжение, например сосуды и трубопроводы, находящиеся под действием внутреннего давления;
- способ не позволяет определить напряжения на поверхности металла, а именно с поверхности металла в большинстве случаев происходит развитие очагов разрушения конструкции, например трещин коррозионного растрескивания. Измерение коэрцитивной силы, а значит и определение напряжений происходят по толщине тестируемого металла, однако напряжения на внутренней и наружной поверхностях конструкций, особенно при сложном нагружении конструкции, могут значительно отличаться.
Известен способ определения механических напряжений, заключающийся в определении твердости материала конструкции, по которому судят о величине механических напряжений (см. Дель Г.Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости. - М.: Машиностроение, 1971. - 200 с.).
Недостатком способа является низкая чувствительность в упругой области нагружения металла, в которой работает большинство конструкций, в т.ч. трубопроводы.
Известен способ определения предела текучести материла, взятый нами в качестве прототипа, заключающийся в изготовлении образца из материала, аналогичного материалу конструкции, подготовке гладкой поверхности образца, пошаговом нагружении образца, многократном измерении микротвердости на каждом шаге нагружения и определении предела текучести образца по скачкообразному увеличению дисперсии микротвердости (см. патент РФ №2339017, МПК G01N 3/00, опубл. 20.11.2008).
Недостатком способа является невозможность определения значения механических напряжений в металле в упругой области нагружения материала. Известный способ для точного определения предела текучести реализуют с малым шагом испытания (не более 5-10 МПа), при этом для сокращения времени испытания начальное напряжение испытания выбирают около 80% от нормативного условного предела текучести материала.
Технической задачей изобретения является определение механических напряжений в упругой области нагружения.
Поставленная задача решается тем, что в способе определения механических напряжений стальных конструкций, включающем изготовление образца из материала, аналогичного материалу конструкции, пошаговое нагружение образца, многократное измерение его микротвердости на каждом шаге нагружения, расчет дисперсии измеренных значений микротвердости, построение зависимости дисперсии микротвердости от величины напряжений в образце, согласно изобретению нагружение образца выполняют в упругой области, многократно измеряют микротвердость конструкции, рассчитывают дисперсию значений микротвердости конструкции и определяют величину напряжений в конструкции с помощью упомянутой зависимости.
Способ реализуется следующим образом.
Из фрагмента металла, аналогичного металлу конструкции, вырезают образец. Шлифованием подготавливают одну из боковых поверхностей образца до гладкого состояния. Зажимают образец в захватах разрывной машины. Ступенчато нагружают образец до достижения металлом предела текучести. На каждом шаге нагружения измеряют микротвердость поверхности не менее 50 раз, произвольно перемещая датчик микротвердомера по поверхности образца. Рассчитывают дисперсию результатов измерения на каждом шаге нагружения. Строят зависимость дисперсии значений микротвердости от напряжений в металле.
Шлифованием подготавливают поверхность металла конструкции для измерений микротвердости. Измеряют микротвердость поверхности не менее 50 раз, произвольно перемещая датчик микротвердомера по поверхности конструкции. Рассчитывают дисперсию значений микротвердости и определяют величину напряжений в конструкции с помощью полученной зависимости.
Пример
Необходимо определить напряженное состояние трубопроводов надземной технологической обвязки компрессорной станции. Трубопровод выполнен из труб марки стали 17Г1С. Неразрушающим методом определяют структурное состояние металла трубопровода, например, с помощью коэрцитиметра. Устанавливают, что коэрцитивная сила металла труб находится в диапазоне 4,5-5,0 А/см.
Из различных отрезков труб марки стали 17Г1С выбирают отрезок, соответствующий по структурному состоянию металлу труб диагностируемого трубопровода (с коэрцитивной силой 4,5-5,0 А/см).
Из выбранного отрезка трубы изготавливают образец длиной 200 мм, шириной 30 мм, толщиной 10 мм. Среднюю часть образца на длине около 100 мм шлифуют мелкозернистой наждачной бумагой до шероховатости поверхности не более Rz=10.
Зажимают образец в захватах разрывной машины МР-100, ступенчато с шагом 30 МПа нагружают до величины 330 МПа. На каждом шаге нагружения измеряют микротвердость шлифованной поверхности в количестве 100 раз. Считают дисперсию результатов измерения на каждом шаге нагружения. Строят зависимость дисперсии значений микротвердости от напряжений в металле.
Локализуют места на трубопроводе, в которых возможны высокие продольные растягивающие напряжения, например, определением профиля трубопровода нивелированием. Преимущественно такие зоны расположены в верхней части трубопровода над опорой или в нижней части между опорами.
В месте, выбранном для определения напряжений, удаляют фрагмент виброшумоизоляционного покрытия размером 150×150 мм. Шлифуют поверхность металла трубопровода до шероховатости поверхности не более Rz=10. Измеряют микротвердость поверхности не менее 50 раз, произвольно перемещая датчик микротвердомера по шлифованной поверхности металла трубы. Рассчитывают дисперсию значений микротвердости и определяют величину напряжений в трубопроводе с помощью полученной на образце зависимости.