ОБРАЗЕЦ ДЛЯ ТАРИРОВКИ КОЭРЦИТИМЕТРА ПРИ ПЛОСКОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

Предлагаемое изобретение относится к области испытаний металлических конструкций и может быть использовано для тарировки коэрцитиметров при проведении контроля напряженно-деформированного состояния (НДС) нагруженных элементов конструкций из ферромагнитных материалов.
Известен способ определения НДС стальных металлоконструкций (журнал "Заводская лаборатория. Диагностика материалов" №9. 1999. Том 65, 1999, стр. 53-57; РД ИКЦ "КРАН-007-97").
с
с
Способ заключается в том, что прибором измеряют величину коэрцитивной силы Н в различных участках конструкции. Из листа (профиля) той же марки стали вырезают плоский образец, нагружают его статическим растяжением до разрушения. Нагрузку увеличивают ступенчато с разгрузкой до нуля после каждой ступени. Коэрцитивную силу измеряют в направлении вдоль приложенной нагрузки после каждого приложения и снятия нагрузки. Сопоставляя результаты значений Н, полученные на конструкции, со значениями, полученными при растяжении плоского образца, определяют, какой области диаграммы нагружения (упругой, упругопластической, зоне разрушения) соответствует структура металла конструкции на момент обследования. За предельное принимают состояние перехода металла конструкции в пластическую стадию.
с
с
с
В ряде случаев упомянутый способ может привести к ошибочным выводам о НДС элемента обследуемой конструкции. Так как тарировку проводят при нагружении образца одноосным растяжением. Большинство реальных конструкций, как правило, испытывают сложное напряженное состояние. В этом случае значение коэрцитивной силы (Н), измеренное в различных направлениях, в зависимости от соотношения компонент напряженного состояния изменяется в широких пределах, и вообще говоря, слабо корреспондируется с результатами измерения Н при одноосном напряженном состоянии. Поэтому переносить результаты измерения Н, полученные при испытании образцов на одноосное растяжение на реальные конструкции, испытывающие сложное напряженное состояние некорректно.
с
с
Известен способ определения НДС стальных труб путем проведения коэрцимитрических измерений (Науч.-техн. журн. Наука в нефтяной и газовой промышленности - 2010. - №3. - С. 2-6.) В этой работе в качестве тарировочного образца используют сосуд, ступенчато нагружаемый внутренним давлением с измерением величины Н вдоль оси сосуда и перпендикулярно к нему на каждой ступени нагружения. Результаты этих измерений сопоставляют с значениями Н, измеренными на натурных трубах. Недостаток этого способа заключается в том, что здесь при всех ступенях нагружения и при всех уровнях внутреннего давления соотношение кольцевого напряжения к осевому остается неизменным, равным 2. В реальных трубопроводах таких напряженно-деформированных состояний не бывает.
Известен образец для тарировки магнитошумового прибора, выполненный крестообразным из материала контролируемого изделия и имеющий нагрузочные плечи и центральную рабочую часть (патент РФ №2044310 от 17.07.1992 г., G01N 27/80, G01L 1/12, G01N 27/72).
Упомянутый образец выбран в качестве прототипа, совпадает с заявляемым образцом по главным признакам, решающим задачу тарировки коэрцитиметра при сложном плоском напряженном состоянии. Такими признаками являются: крестообразная форма образца и нагружение образца изгибающими моментами в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Однако предложенный в прототипе образец имеет следующие недостатки:
с
- в образце прототипа слишком маленькая рабочая часть, площадь которой много меньше площади контакта датчика коэрцитиметра, поэтому с помощью кооэрцитиметра не представляется возможным точно определить величину коэрцитивной силы Н;
- в рабочей площадке образца прототипа напряжения распределены неравномерно;
с
с
- рабочая площадка испытывает изгиб, поэтому с наружной ее стороны напряжения растягивающие, а с внутренней - сжимающие (или наоборот). Преобразователь коэрцитиметра намагничивает образец по всей толщине, но при этом по разному реагирует на растяжение и на сжатие. Сжимающие напряжения вызывают увеличение значения Н, растягивающие напряжения вначале уменьшаются (до уровня половины предела текучести металла обследуемой конструкции), а затем увеличиваются. В результате сигнал складывается и на выходе коэрцитиметр выдает некоторое значение коэрцитивной силы, отличающейся от величин Н при растяжении и сжатии. Следует отметить, что по этой причине при нагрузках до предела текучести коэрцитиметр слабо реагирует на изгиб.
Технической задачей изобретения является повышение точности тарировки коэрцитиметрического прибора и определения напряженно-деформированного состояния (НДС) обследуемой конструкции.
Техническая задача достигается тем, что крестообразный образец для тарировки коэрцитиметра при плоском напряженном состоянии, выполненный полым из материала контролируемого изделия, содержит нагрузочные плечи и центральную рабочую часть. Нагрузочные плечи представляют собой отрезки профильных труб прямоугольного сечения, соединенные между собой и центральной рабочей частью, выполненной из двух квадратных пластин.
В результате при приложении к нагрузочным плечам изгибающих моментов в двух взаимно перпендикулярных направлениях в центральной рабочей части создается плоское НДС с соотношением компонент напряжений, определяемым величинами изгибающих напряжений. При этом напряжения распределены по толщине и по площади центральной рабочей части практически одинаково, что позволяет с высокой точностью измерить значения коэрцитивной силы в двух взаимно перпендикулярных направлениях в зависимости от величин напряжений, действующих по этим направлениям. При этом напряжения, действующие в центральной рабочей части, могут быть только растягивающими, только сжимающими или представлять комбинацию растягивающих и сжимающих напряжений. Также техническая задача достигается тем, что крестообразный образец выполняют полым с тонкими (толщиной 2-3 мм) стенками для создания равномерного плоского НДС в рабочей части.
Сущность изобретения поясняется чертежами, фиг. 1 - общий вид крестообразного образца в аксонометрии, фиг. 2а - общий вид крестообразного образца в аксонометрии, фиг. 2б - разрез крестообразного образца по фиг. 2а.
1
Крестообразный образец (фиг. 1 и 2) состоит из четырех нагрузочных плечей 1 и двух квадратных центральных рабочих частей (далее по тексту -рабочих пластин) верхней 2 и нижней 6 (фиг. 1 2), соединенных между собой сварными швами 3. В качестве нагрузочных плечей используют отрезки стальных профильных труб прямоугольного сечения, например, ГОСТ 13663-86, размером B×b×S мм, где B, b, S - ширина, высота и толщина стенки профильной трубы. Длина отдельного плеча L зависит от используемого нагрузочного стенда и может меняться в широких пределах. Чем больше длина плеча, тем меньше требуемые для создания моментов M1 и М2 (фиг. 1) величины прикладываемых к плечам нагрузок.
с
Стороны рабочих пластин АВ=BD=DC=СА (фиг. 1, 2) имеют длину, равную ширине В профильной трубы в плане и толщину, равную толщине стенки S нагрузочных плечей. В центре верхней рабочей пластины в двух взаимно перпендикулярных направлениях наклеивают тензодатчики перемещений, используемые для установления зависимости между коэрцитивной силой Н и величинами деформаций. Место наклейки датчиков деформации на наружной части рабочей пластины обозначено цифрой 4 (фиг. 1).
Крестообразный образец изготавливается с помощью сварки. Чертеж на фиг. 2 поясняет порядок и процесс изготовления образца. Заготовки для нагрузочных плечей вырезают из профильных труб той же марки стали, что и рабочие пластины, во всяком случае желательно, чтобы прочностные характеристики стали нагрузочных плечей соответствовали характеристикам стали, из которой изготовлены рабочие пластины.
Нагрузочные плечи собирают с рабочими пластинами без зазора и фиксируют прихватками 5 (фиг. 2). После сборки накладывают сварные швы 3 (фиг. 1) с помощью одного из способов электрической дуговой сварки плавлением (ручной дуговой, аргоно-дуговой с вольфрамовым электродом, механизированной в среде защитных газов). Для предотвращения структурных превращений в металле рабочих пластин от нагрева сварку выполняют на медной подкладке и после наложения каждой прихватки и сварки каждого шва весь образец быстро охлаждают, например, с помощью увлажненной ветоши.
с
с
Опытный образец был сварен ручной дуговой сваркой. В качестве нагрузочных плечей использовали отрезки стальной профильной трубы прямоугольного сечения № 60×30×3 мм по ГОСТ 13663-86, длиной L=150 мм. Материал нагрузочных плечей - сталь марки 20 по ГОСТ 1050-88. Рабочие пластины размером 60×60×3 мм вырезали из катушки газопроводной трубы размером 820×8 мм марки стали 17ГС. В процессе изготовления образца измеряли значение коэрцитивной силы рабочих пластин после их вырезки из трубы и после их окончательной сварки образца. Как показали выполненные измерения, предлагаемая технология не привела к изменению значений Н металла рабочих пластин до и после сварки. В нашем случае значение коэрцитивной силы рабочих пластин до и после сварки было и осталось на уровне Н=2,8 А/см.
Дополнительно к сказанному с помощью метода конечных элементов (МКЭ) выполнен расчет напряженно-деформированного состояния модели крестового образца, нагруженного изгибающими моментами. Расчеты показали, что только в окрестностях угловых точек А, В, С, D рабочей пластины наблюдается концентрация напряжений. В центре рабочей пластины и по большей ее части напряжения и деформации распределены равномерно. Это же подтвердил специальный эксперимент с наклеенными тензодатчиками в центре рабочей пластины. Измерения показали, что значения деформаций с изменением величин изгибающих моментов изменяются, но для каждого соотношения моментов M1 и М2 остаются практически одинаковыми для всех тензодатчиков.
с
с
Процедура тарировки выглядит следующим образом. После выполнения сборки и сварки рабочую пластину зачищают от брызг и обезжиривают. В центре рабочей пластины в двух взаимно перпендикулярных направлениях, совпадающих с направлениями прикладываемых к образцу моментов, наклеивают тензодатчики. В этих направлениях измеряют исходные (в ненагруженном состоянии) значения коэрцитивной силы Н. Затем нагружают образец ступенчато изменяющимися изгибающими моментами. На каждой ступени нагружения по показаниям тензодатчиков измеряют значения деформаций в двух направлениях и, соответствующие этим направлениям, значения коэрцитивной силы Н.
Таким образом, техническая задача изобретения решена. Предлагаемый полый крестообразный образец прост в изготовлении, существенно упрощает проведение тарировочных испытаний, обеспечивая достаточно высокую точность и достоверность тарировки.