Исследование возможностей оценки качества нагруженных металлических конструкций акустическими методами неразрушающего контроля

МЕТАЛЛООБРАБОТКЕ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

УДК 660.245'293'295.018.027

Исследование возможностей оценки

качества нагруженных металлических конструкций

акустическими методами неразрушающего контроля

К. Ю. Войченко, Е. Ю. Ремшев, М. Ю. Силаев, А. Н. Глушко

Актуальной задачей является совершенствование существующих и разработка новых способов оценки качества важнейших элементов вновь возводимых строительных сооружений, таких как свайные и шпунтовые основания, причальные сооружения, отличающиеся труднодоступностью. В статье исследована возможность использования неразрушающего метода акустической эмиссии — одного из перспективных методов контроля труднодоступных объектов в процессе ихустройства и эксплуатации. Анализ результатов использования метода акустической эмиссии как способа прогнозирования и мониторинга эксплуатационных свойств изделий машиностроения и других несущих конструкций позволяет говорить о целесообразности разработки методики оценки напряженно-деформированного состояния металлических элементов несущих конструкций в процессе их эксплуатации.

Ключевые слова: акустическая эмиссия, импульс, свая, шпунтовые основания, анкер.

Особенностями технологического процесса возведения свайных оснований являются силовое воздействие при погружении свай или шпунта в грунт (рис. 1), реализация сварочных или других видов соединительных работ. Значительные силовые нагрузки, знакопеременное температурное воздействие, агрессивная среда требуют применения методов контроля качества, проверки

а)

б)

основных эксплуатационных свойств, а в некоторых случаях постоянного мониторинга этих важнейших элементов строительных сооружений и вспомогательных металлических элементов.

В настоящее время для контроля работоспособности железобетонных и стальных свайных оснований применяют такие методы контроля, как статические испытания,

300 300

Рис. 1. Железобетонные сваи: а — составная; б — ее элементы; в — буронабивная

испытания ударной нагрузкой, ультразвуковые и другие методы неразрушающего контроля для определения трещин, оценки длины сваи, а также анализ качества сварных швов (ГОСТ 8829, ГОСТ 17624, ГОСТ 22690 и др.). Перспективными для оценки качества металлических конструкций являются акустические методы контроля (ультразвуковой, акустической эмиссии и др.). Ультразвуковой метод (УМ) основан на сканировании ультразвуком исследуемого объекта. Метод позволяет определить местоположение дефектов и их геометрию. Ультразвуковые импульсы частотой от 20 кГц и выше, проникая в материал изделия, отражаются от границы материала изделия и окружающей среды, инородных включений, различного рода дефектов, таких как неоднородности и трещины. На основе ультразвуковой дефектоскопии разработаны следующие разновидности УМ: эхоим-пульсный, эхозеркальный, зеркально-теневой и другие. Эхоимпульсный метод — сканирование изделия короткими импульсами ультразвуковых колебаний и регистрации эхо-сигналов, отраженных от дефекта и идущих к приемнику (рис. 2, а). Чем больше дефект, тем больше амплитуда эхосигнала. Теневой метод — сквозное прохождение ультразвука через изделие (рис. 2, б). Используют два со-осно размещенных пьезоэлектрических преобразователя, один является излучателем, второй — приемником. О наличии дефекта судят по пропаданию или уменьшению

а) б)

методов:

1 — сигнал, отразившийся от границы объекта контроля; 2 — сигнал, отразившийся от дефекта; 3 — экран дефектоскопа; 4 — излучатель ультразвуковых импульсов; 5 — приемник ультразвуковых импульсов; Г — генератор ультразвуковых импульсов; У — усилитель ультразвуковых импульсов

амплитуды сквозного сигнала. Чем больше размер дефекта, тем меньше амплитуда прошедшего сигнала. Ультразвуковые методы применяются для контроля крупногабаритных отливок, штампованных заготовок ответственных деталей, полос, листов, рельс и других изделий. Достоинствами метода являются высокая проникающая способность распространения импульсов в материале изделия и относительная простота обработки результатов. К недостаткам следует отнести повышенную трудоемкость, связанную с необходимостью сканирования всей поверхности объекта, и невозможность контроля качества изделия в процессе его эксплуатации.

Актуальной задачей является развитие способов постоянного мониторинга при эксплуатации металлических элементов крупногабаритных конструкций. Практическое применение неразрушающих методов контроля, в том числе метода акустической эмиссии, может занять важное место в оценке состояния реставрационных объектов. Так, при обследовании Исаакиевского собора (рис. 3) были выявлены коррозионные повреждения деталей стального каркаса скульптурных композиций в местах их креплений и оболочке, изготовленной из меди.

В научной работе планируется использовать установленные закономерности между напряженно-деформированным состоянием, микроструктурой и параметрами акустической эмиссии для разработки алгоритма применения неразрушающего метода акустической эмиссии в оценке напряженно-деформированного состояния металлических конструкций, на основе проведенного исследования разработать практические рекомендации о возможности применения метода акустической эмиссии при оценке качества различного рода несущих конструкций. Микроструктура материала оказывает значительное влияние (рис. 4) на эксплуатационные свойства несущих конструкций. На основе процессов, зарождающихся на уровне микроструктуры (микропластические деформации, зарождение микродефектов и т. д.) можно прогнозировать их развитие, а метод акустической эмиссии позволяет фиксировать эти процессы в изделии, находящемся под нагрузкой.

Щ^ППИ!

ЛООЬРАБОТКА

их ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Рис. 3. Государственный музей-памятник «Исаакиевский собор»

а)

б)

шш

Рис. 4. Микроструктуры армко-железа: а — в исходном состоянии; б — после холодной пластической деформации

Одним из перспективных методов, позволяющих регистрировать локальную динамическую перестройку структуры материала, является метод акустической эмиссии. Акустическая эмиссия (АЭ) — излучение материалом механических волн, вызванное внутренней динамической локальной перестройкой его структуры [1]. Этот метод позволяет контролировать качество труднодоступных объектов в процессе эксплуатации при знакопеременных температурах, оценивать наличие и развитие дефекта. Метод обладает высокой чувствительностью, пассивностью, дистанционностью. Пассивность заключается в излучении волн объектом контроля под нагрузкой, без внешнего излучения. Дистанционность предполагает возможность установки прибора для контроля на значительном расстоянии от объекта. В процессе исследований поведения конструкций источником сигналов является объект, который находится под нагрузкой (рис. 5). Источник АЭ — область исследуемого объекта, в которой происходит высвобождение энергии. Часть энергии преобразуется в волну, регистрируемую датчиком АЭ. Источники АЭ имеют различную природу: образование и развитие трещин, релаксация или деформация, происходящая в материале. Датчики могут быть установлены на любую доступную поверхность объекта. Упругая волна от источника АЭ распространяется в материале объекта и регистрируется датчиками. По параметрам волны можно сделать выводы

о месте ее зарождения, характере распространения и т. д. Первичным сообщением об АЭ является импульс. Импульсом будем называть часть АЭ-волны, которая превысила заданное пороговое значение.

На первом этапе оценивается возможность мониторинга анкерной тяги шпунтовой стены (рис. 5), проводятся испытания по установлению напряженного состояния тяги на основе параметров АЭ. Использование двух датчиков АЭ позволит лоцировать соединительные элементы тяги и определять местоположение источников звука. Силовое воздействие на анкерную тягу осуществляется с помощью специально изготовленных гидравлических домкратов, встроенных в испытательный стенд. В процессе выполнения работы планируется установить закономерности между параметрами АЭ и напряженно-деформированным состоянием металлических причальных сооружений.

Следует учесть, что воздействие агрессивной среды окажет существенное влияние на функционирование анкерной тяги в течение длительного времени. На основе кинетической теории Ю. Н. Работнова [2] в работе [3] используется дробостепенная модель длительной прочности [4], кинетическое уравнение которой можно записать в виде:

аг

= ь

\п

аь -а

1

(1 -)п

7[ст

Анкерная тяга

АЭ-система

Шпунтовая стена

Рис. 5. Возможная схема регистрации сигналов акустической эмиссии

МЕТ^ЛЛООБРАБОТКЛ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

где а — номинальное растягивающее напряжение; ю — поврежденность; t — время; аь — предел кратковременной прочности при соответствующей температуре; ст — интегрально среднее значение концентрации агрессивной среды в стержне, отнесенное к значению концентрации среды на поверхности стержня Ь; п — материальная константа, /[ст^)] — материальная функция.

Согласно концепции Ю. Н. Работнова разрушение образца при ползучести наступает при достижении предельного значения по-врежденности (ю = 1). На основе использования этого критерия в работе [3]: 1) получена искомая взаимосвязь времен до разрушения образца при ползучести с учетом влияния агрессивной среды и без нее; 2) рассмотрена ползучесть до разрушения образцов круглого и прямоугольного сечений в агрессивной среде; 3) показана необходимость учета влияния масштабного эффекта, заключающегося в зависимости времени до разрушения от поперечного размера образцов; 4) разработана методика прогнозирования работоспособности критически нагруженных объектов машиностроения, которая включает регистрацию сигналов акустической эмиссии при нагружении объекта контроля с постоянной скоростью (нагружение должно быть подобно рабочему).

Зависимость среднего значения напряжения от времени а^) для зон, являющихся источниками сигналов АЭ, параметры функции ¥у(у) на участке упругих деформаций, построение распределения с учетом изменения структуры материала на участке пластических деформаций и время до начала макроскопического разрушения т* материала каждой зоны определяют из уравнения

Т ^г

у„1„

1 - ехр

\л

-I

Л

т0ехр

с_

Со

Щ - уа^) ЯТ

йу =

где ¥у(у) — распределение в конце диагностического нагружения; ут1П и утах — соответ-

ствующие этому распределению минимальное и максимальное значения структурно-чувствительного параметра у; V — изменение среднего напряжения в соответствующей зоне в процессе работы конструкции;

Далее определяется остаточный ресурс объекта контроля как минимальное из вычисленных для различных зон время до разрушения.

Релаксационные свойства [6] изделий типа анкерных тяг определяются разрушающими испытаниями, регламентированными ГОСТ 28334-89 «Метод испытания на релаксацию при постоянной деформации». При испытании на образец воздействуют нагрузкой, соответствующей 0,01 временного сопротивления разрыву, а на образце закрепляют тензометры. Образец до начальной нагрузки испытывают со скоростью, соответствующей его удлинению в пределах 0,2 ± 0,025 % за 1 мин или приросту напряжения в пределах 400 ± 50 МПа за 1 мин. Нагружение образца должно быть плавным или ступенчатым через 1/10 временного сопротивления разрыву образца при начальной нагрузке 0,6; 0,7 и 0,8 временного сопротивления разрыву образца. Для исследований предполагается использовать акустико-эмиссионную систему «Ранис» (www.e-mission.ru). АЭ-система обладает развитым программным обеспечением, которое позволяет создать и использовать во время измерений трехмерную модель отдельной анкерной тяги и ее окружения и трехмерную модель шпунтовой стены в целом (рис. 6). Встроенные программно-аппаратные средства АЭ-системы «Ранис» позволяют подробно исследовать поведение анкерной тяги под нагрузкой, получить предельно допустимые значения амплитуд и энергий импульсов, предельное значение суммарного количества импульсов, допустимое для нормально функционирующей анкерной тяги. Исследование поведения анкерной тяги под нагрузкой дает возможность выработать систему критериальных оценок прочности анкерных тяг в лабораторных условиях, а в последующем — на объекте эксплуатации, что позволит создать систему отбраковки изделий, базирующуюся на статистически достоверных наборах данных. Рекордно низкий уровень собственных шумов

Рис. 6. Регистрация сигналов АЭ параллельных объектов в системе «Ранис»

предусилителей задает высокую чувствительность и большой динамический диапазон АЭ-системы, позволяющий фиксировать все нюансы поведения материала анкерных тяг под нагрузкой.

Использование импульсных генераторов, встроенных в каждый канал АЭ-системы «Ранис», создает условия для описания картины распространения звуковых волн в анкерных тягах в зависимости от частоты. Цифровой осциллограф, встроенный в каждый измерительный канал, регистрирует и сохраняет в цифровом виде все особенности распространения звуковых волн в материале анкерной тяги. Наличие в АЭ-системе «Ранис» одного канала ввода параметрических данных на каждые четыре акустико-эмиссионных канала (вход по напряжению ± 10 В, 0-20 мА, имеется токовая петля 4-20 мА, оцифровка параметрического сигнала — 16 бит, 60 кГц) позволяет с высокой точностью синхронизировать аку-стико-эмиссионные данные как со значениями текущей нагрузки на анкерную тягу во время эксперимента, так и с любыми другими независимо измеряемыми электрическими параметрами. Интерес представляет поиск диапазона частот регистрации АЭ-данных, наиболее информативного с точки зрения выявления потенциальных дефектов анкерных тяг как в процессе отбраковки изделий, так и в процессе мониторинга шпунтовой стены. Использование встроенных программно-управляемых цифровых

аппаратных фильтров с рекордной крутизной характеристик АЭ-системы «Ранис» позволяет решить данную задачу. Одной из задач работы является формулирование критериев прогнозирования поведения анкерных тяг в условиях длительной нагрузки и агрессивной внешней среды. Рекомендуется использовать разработанные критерии в процесс анализа сигналов, регистрируемых во время мониторинга шпунтовой стены.

По результатам первого этапа работы, включающего экспериментальное исследование, разработку необходимых испытательных стендов, их апробацию, планируется провести научный анализ области исследований, сформулировать цель и задачи диссертационной работы. По результатам экспериментального исследования оценки возможности и целесообразности разработки систем постоянного мониторинга подобных сооружений методом АЭ предполагается установить степень опасности дефектов, возникающих в несущих строительных конструкциях. По результатам экспериментального исследования планируется разработать математическую модель определения работоспособности конструкций и факторов, влияющих на ползучесть, релаксацию, накопление повреждений и образование дефектов конструкции.

Литература

1. Акустико-эмиссионный метод регистрации трещи-нообразования в реальных конструкциях / В. С. Кук-сенко, К. Е. Нагинаев, В. Н. Савельев, М. З. Рустамова // Деформация и разрушение материалов. 2009. № 9. С. 45-48.

2. Работнов Ю. Н. Ползучесть элементов конструкций. М.: Наука, 1966. 752 с.

3. Фомин Л. В. Ползучесть и длительная прочность растягиваемых стержней в агрессивной окружающей среде // Материалы Междунар. науч.-техн. конф. «Деформация и разрушение материалов». 2012. С. 290-291.

4. Шестериков С. А., Юмашев М. А. Конкретизация уравнения состояния в теории ползучести // Изв. АН СССР. Сер. Механика ТВ-тела. 1984. № 1. С. 86-92.

5. Лахова Е. Н. Методика прогнозирования работоспособности критически нагруженных объектов машиностроения: автореф. дис. ... канд. техн. наук. СПб., 2012. С. 18.

6. Данилин Г. А., Титов А. В., Ремшев Е. Ю. Методика прогнозирования релаксационной стойкости тарельчатых пружин на основе излучения сигналов акустической эмиссии // Металлообработка. 2011. № 2. С. 17-22.