СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ
METHOD FOR NONDESTRUCTIVE INSPECTION OF STRENGTH OF METAL STRUCTURES

Изобретение относится к акустическим методам неразрушающего контроля прочности и предназначено для диагностики состояния металлоконструкций подъемно-транспортных машин. Изобретение может применяться в машиностроении, строительстве.
∑
∑
∑
∑
Известен способ неразрушающей оценки прочности композитных материалов и изделий из них [Носов В.В., Носов С.В. Акустико-эмиссионный критерий прочности композитных материалов. // Известия ВУЗов. Машиностроение. - 1989. - №9, с.25-29]. Способ включает равномерное нагружение диагностируемого изделия, регистрацию при этом числа N импульсов акустической эмиссии (АЭ) и прекращение нагружения в момент выхода временной зависимости натурального логарифма InN числа импульсов АЭ на прямолинейный участок, определение углового коэффициента InN=dlnN/dt (тангенса угла наклона) этого участка и расчет по его значению разрушающей нагрузки на изделие. Недостатком способа является невысокая точность акустико-эмиссионного контроля изделия из-за применения расчетов параметров.
1
1
2
2
∑
AE
p
Известен способ неразрушающей оценки прочности корпусов двигателей, выполненных из композитных материалов [Носов В.В., Потапов А.И. Оценка прочности корпусных изделий при их гидроиспытаниях по результатам регистрации сигналов акустической эмиссии. // Дефектоскопия. - 1998, №5, с.99-107]. Способ включает ступенчатое гидронагружение корпуса путем непрерывного подъема давления в корпусе до уровня F, выдержка в течение времени t, подъем давления до второго уровня F, выдержка в течение времени t и так далее до заданного максимального уровня давления. В ходе испытаний проводят регистрацию числа N импульсов АЭ. По результатам АЭ испытаний строят графики временных зависимостей числа импульсов АЭ при различных уровнях давления, в которых выделяют участки, близкие к прямолинейным, определяют угловые коэффициенты  и  этих участков. Определяют параметр состояния материала диагностируемого изделия Y. Значение разрушающей нагрузки F сравнивают с рабочей нагрузкой на диагностируемое изделие. На основе этого сравнения делают вывод о состоянии диагностируемого изделия. К недостаткам способа можно отнести отсутствие учета нестабильности распределения амплитуд импульсов АЭ, получаемых в ходе испытаний изделия, отсутствие четкой классификации степени опасности выявленных в ходе контроля источников импульсов АЭ, что может привести к недооценке опасности дефекта изделия, которая может способствовать преждевременному выходу из строя изделия.
ζ
i
j
i
j
i
j
AE
Наиболее близким, выбранным за прототип, является «Способ неразрушающего контроля прочности изделий» [патент РФ №2270444]. В способе равномерно или ступенчато равномерно нагружают изделие и регистрируют число импульсов акустической эмиссии и их амплитуды в процессе нагружения, определяют суммарную амплитуду , импульсов АЭ, находят отношение логарифмов суммарных амплитуд в заданные моменты времени t, t, определяют закон распределения числа импульсов АЭ по амплитудам с одновременным определением номинальных напряжений σ, σ в контролируемой зоне изделия в моменты времени t, t соответственно, по результатам испытаний определяют параметр состояния материала контролируемого изделия Y по формуле:
AE
j
i
AEi
AEj
j
i
Y=[ln(ζ/ζ)+ln(k/k)]/[σ-σ],
R
и рассчитывают величину диагностического параметра Y по формуле:
R
В
Y=M/σ,
i
j
где σ, σ - напряжения, действующие в контролируемой зоне изделия в i и j моменты времени соответственно;
i
j
i
j
ζ, ζ - значения суммарной амплитуды при напряжениях σ и σ соответственно;
AEi
AEj
i
j
k, k - акустико-эмиссионные коэффициенты при напряжениях σ и σ соответственно, их отношение определяют в зависимости от выбранного закона распределения амплитуд импульсов АЭ;
В
σ - предел прочности (временное сопротивление) материала контролируемого изделия (справочное);
М - константа материала конструкции и условий ее нагружения, определяют по справочным данным или результатам разрушающих АЭ-испытаний эталонных (бездефектных) образцов,
AE
R
AE
R
затем величину Y сравнивают с величиной Y и определяют степень опасности источника импульсов акустической эмиссии, при Y≥Y источник импульсов считают опасным.
К недостаткам способа можно отнести неопределенность значений напряжений в контролируемой зоне в случае сложного напряженного состояния металлоконструкций, и как следствие, невысокую точность акустико-эмиссионного контроля изделия.
Задачей изобретения является повышение точности акустико-эмиссионного контроля сложных металлоконструкций, в частности металлоконструкций подъемно-транспортных машин, выявление развивающихся и склонных к развитию дефектов, проявляющихся в процессе изменения нагрузки, определение пригодности металлоконструкции к дальнейшему использованию или необходимости проведения ремонта или замены данной металлоконструкции.
i
AE
Предложен способ неразрушающего контроля прочности металлоконструкции, в процессе которого металлоконструкцию нагружают как минимум два раза, повышая нагрузки при соблюдении условия P≥Q, где Q - номинальная допускаемая нагрузка металлоконструкции. После каждого нагружения поднимают испытательный груз с помощью металлоконструкции на 100-200 мм от земли и удерживают его ≥10 мин, для регистрации сигналов АЭ, информативных относительно состояния материала контролируемой металлоконструкции, в процессе чего регистрируют число импульсов акустической эмиссии и их амплитуды, определяют параметр состояния материала контролируемой металлоконструкции Y по формуле:
J
I
J
I
J
J
РАБ
I
I
РАБ
РАБ
i
j
i
J
AEi
AEj
I
J
∑
i
j
где [S] - нормативный коэффициент запаса прочности, ΔK=K-K - разница коэффициентов нагрузки, K, K - коэффициенты нагрузки, K=P/Р≥1,25, K=P/Р≥1, Р - рабочая нагрузка, ξ, ξ - значения информативного АЭ-параметра при нагрузках P и P соответственно, k, k - акустико-эмиссионные коэффициенты при напряжениях возникающих при P и P соответственно. В качестве информативного параметра ξ используют число N импульсов АЭ или суммарную амплитуду сигналов АЭ, накопленных на этапе однородного разрушения во время выдержки под нагрузками величиной P, и P.
AEi
AEj
Отношение k/k определяется, в зависимости от выбранного закона распределения амплитуд импульсов АЭ
AE
При отсутствии мультипликативных помех АЭ-регистрации, и неопределенности номинальных напряжений оценку Y производят по формуле:
R
Рассчитывают величину диагностического параметра Y
AE
где M - константа материала конструкции и условий ее нагружения, определяют по справочным данным или результатам разрушающих АЭ-испытаний эталонных (бездефектных) образцов.
AE
R
Затем величину Y сравнивают с величиной Y для определения степени опасности источника импульсов акустической эмиссии.
AE
AE
R
AE
R
AE
R
AE
R
Если Y≤0, то данный источник сигналов АЭ классифицируют как неактивный, дефект не является опасным, состояние конструкции работоспособно (коэффициент запаса статической прочности S более 4 по долговечности. При 0<Y≤Y источник сигналов АЭ является активным, дефект не опасен, значения коэффициента запаса прочности попадают в диапазон [S]<S<4, где [S] - нормативный коэффициент запаса статической прочности ([S]=2-4), при Y>Y источник сигналов АЭ принимается критически активным, дефект признается опасным, работоспособность металлоконструкции - ограниченной нагрузки на диагностируемый объект должны быть снижены не менее, чем в Y/Y раз. При Y>[S]Y ([S] - нормативный коэффициент запаса прочности) источник импульсов АЭ классифицируется как катастрофически активный, дефект и состояние изделия признаются опасными, металлоконструкции неработоспособно [патент РФ №2270444].
ПР.В
После определения степени опасности источника импульсов акустической эмиссии определяют коэффициент снижения предела выносливости К [Носов В.В., Потапов А.И., Бураков И.Н. Оценка прочности и ресурса тех.объектов с помощью метода акустической эмиссии. // Дефектоскопия. - 2009, №2, с.58-66].
где σR, σRD - пределы выносливости эталонного и контролируемого образцов.
Определяют коэффициент запаса выносливости по формуле:
C
B
AE
в
B
N
Затем определяют исходный ресурс (время до образования трещины) N=N/exp(Yσ/[S]), где N - константа материала и вида сварного соединения, температуры и частоты σ его нагружения [Носов В.В., Потапов А.И., Бураков И.Н. Оценка прочности и ресурса тех.объектов с помощью метода акустической эмиссии. Дефектоскопия. - 2009, №2, с.58-66]).
B
Величину N можно определить по формуле
,
G
R
ост
6
где N=2·10 - число циклов, соответствующих перегибу кривой усталости, σ - предел выносливости при заданном коэффициенте асимметрии цикла рабочих напряжений, m - показатель степени кривой усталости. Находят остаточный ресурс металлоконструкции N
C
B
AE
в
ПР
N=N/exp(Yσ/[S])-N
ПР
N
ПР
ПР
N
где N=ωt - фактическое число циклов нагружения, t - фактически (предварительно) отработанный ресурс, ω - частота циклов нагружения.
Делают окончательный вывод о дальнейшем использовании металлоконструкции.
AE
AE
Многократное нагружение металлоконструкций позволяет из соотношения нагрузок определять величину Y, что является более точным параметром. С помощью Y определяют показатели прочности металлоконструкций, которые позволяют сделать вывод о пригодности металлоконструкций к дальнейшему использованию.
AE
Повышение нагрузки обусловлено необходимостью расчета диагностического параметра Y. Высота подъема 100-200 мм от земли - это минимальная высота, необходимая для обеспечения отсутствия контакта груза и поверхности, над которой поднимают груз. Максимальная высота поднятии груза ограничена с точки зрения безопасности для персонала и удобства самого эксперимента. Время выдерживания груза ≥10 мин - необходимое время для предотвращения регистрации лишних шумов состояния материала контролируемой металлоконструкции.
Для испытания способа были проведены подготовительные работы (Фиг.1): металлоконструкцию 1 подсоединили к механизму подъема груза 2, после чего нагрузили грузом 3, предварительно установив, преобразователи АЭ (ПАЭ) 4 для регистрации числа импульсов акустической эмиссии и их амплитуд. В процессе учитывают критические места («горячие точки») металлоконструкции, сварные швы, зоны высоких напряжений, зоны, подвергнутые ремонту, и т.д. - нахлесточное сварное соединение 5. Координаты источников акустической эмиссии вычисляют по разнице времен прихода (ВРП) сигналов на преобразователи, расположенные на объекте.
i
Металлоконструкцию нагрузили два раза, повышая нагрузки при соблюдении условия P≥Q, где Q=1400 кг - номинальная допускаемая нагрузка металлоконструкции, после каждого нагружения с помощью металлоконструкции поднимали испытательный груз (Фиг.1:2, 3) на 100, 150 мм и 200 мм от земли и удерживали его 10 мин и 12 мин. Использовали грузы весом 1400 кг, 1750 кг. Материал металлоконструкции Ст 3, для данного материала σb=450 МПа, σr=160 МПа, [S]=4.
i
j
РАБ
Нагрузка при первом нагружении P=14000 Н, при втором P=17500 H, рабочая нагрузка Р=14000 Н
J
I
ΔK=K-K=1.25-1=0.25
Количество зарегистрированных АЭ импульсов при первом нагружении ξi=2, при втором ξj=5, амплитуды соответственно Ucpi=50 дБ, Ucpj=55 дБ.
Для равновероятностного распределения амплитуд импульсов АЭ:
АЕ
Для данного материала М=5.5
AE
R
Т.к. Y>Y, то данный источник опасности нужно считать критически активным, т.е. металлоконструкция находится в состоянии ограниченной работоспособности.
Коэффициент снижения предела выносливости
Коэффициент запаса выносливости:
исходный ресурс
Число циклов, соответствующих перегибу кривой усталости
G
5
N=2·10
Усредненный показатель степени кривой усталости
m=1.5
N
Константа материала и вида сварного соединения, температуры и частоты σ его нагружения
Остаточный ресурс металлоконструкции
ОСТ
B
AE
в
ПР
6
N=N/exp(Yσ/[S]-N=5.283·10
N
Отработанный ресурс tпр=5 лет=43680 час, частота циклов нагружения ω=140 циклов/час.
Фактическое число циклов нагружения
ПР
N
ПР
6
N=ωt=140·43680=6.115·10
ост
N
6
Исходя из значения N=5.283·10 и значения частоты циклов нагружения (ω=140 циклов/час) можно сделать вывод о том, что остаточный ресурс 4 года.
Таким образом, выявление проявляющихся в процессе изменения нагрузки развивающихся и склонных к развитию дефектов повышает точность акустико-эмиссионного контроля металлоконструкции подъемно-транспортных машин. Остаточный ресурс в рассмотренном случае ниже 5 лет и можно сделать вывод о том, что данная металлоконструкция нуждается в срочном ремонте. Кроме того, способ позволяет выявлять недопустимые при эксплуатации грузоподъемных механизмов дефекты (непровар, трещина и т.д.), которые при диагностике локальными методами НК не были выявлены, дает возможность четко определить классы опасности дефекта, выявленных в ходе контроля источников импульсов АЭ и возможность прогнозирования дальнейшего развития дефектов.