Новая технология определения механических напряжений в металлоконструкциях

Новая технология определения механических напряжений в металлоконструкциях на основе явления акустоупругости

Об авторах

Необходимо войти для просмотра

Никитина Надежда Евгеньевна
Главный научный сотрудник Нижегородского филиала
Института машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, д. т. н.

Смирнов Владимир Алексеевич
Главный инженер ООО «ИНКОТЕС» (Нижний Новгород), к. т. н.


Определение напряженного состояния элементов конструкций является одной из актуальных задач НК. Знание реальных величин действующих напряжений необходимо для решения ряда проблем обоснованного выбора сроков безопасной эксплуатации опасных производственных объектов. Вот неполный перечень таких задач:

- контроль изменения нагрузок в процессе испытаний и ремонтных работ;

- оценка величины остаточных напряжений, возникающих при технологической обработке металла, в том числе при сварке;

- выявление превышения напряжениями допустимых величин;

- определение напряжений, возникающих при монтаже и эксплуатации крупногабаритных конструкций;

- проверка правильности результатов прочностных расчетов.

Акустоупругость - «механика без посредников»

Среди неразрушающих методов измерения механических напряжений метод акустоупругости занимает особое место. Акустоупругость как способ измерения напряжений - это «механика без посредников». Ее основой является упругоакустический эффект, то есть линейная зависимость скоростей упругих волн от напряжений. Коэффициенты этой зависимости строго определяются нелинейной теорией упругости твердого тела. Все этапы измерения и расчета проводятся в рамках нелинейной механики, без привлечения полей и волн другой природы: упругие волны

- это, по существу, высокочастотные механические колебания, распространяющиеся в твердых телах. Для измерения времени распространения упругих волн (их задержки в материале), по которому судят об изменении скорости, чаще всего применяется многократно проверенный в более простых задачах (дефектоскопия, толщинометрия) ультразвуковой эхо-метод. Однако для выявления относительных изменений скоростей упругих волн, едва превосходящих 1 % даже при напряжениях, достигающих предела текучести основных конструкционных материалов, точность традиционного эхо-метода должна быть повышена в несколько раз. Достижение такой точности можно представить себе как рассматривание эхоимпульсов «в многократную лупу».

Экспериментально это явление было обнаружено в 1959 г. [1], а акустоупругостью названо по аналогии с фотоупругим эффектом. Уже через четверть века сотрудниками ВНИИНК (Кишинев) под руководством В. М. Бобренко были разработаны вполне пригодные к практическому применению ультразвуковые методы определения одноосных напряжений в стержневых деталях на основе измерения времени пробега вдоль детали импульса продольной волны. Основные результаты этих работ изложены в [2].

Во многих элементах многосекционных конструкций, в трубах и сосудах большого диаметра реализуется плоское напряженное состояние, или его с большой степенью достоверности можно считать плоским в точке контроля. В этом случае для определения напряжений удобнее использовать волны, распространяющиеся по нормали к плоскости их действия. Основы акустоупругого метода определения двухосного напряженного состояния твердых тел разработаны сотрудниками Института механики и Института электросварки АН Украины [3]. Таким образом, ученые бывшего СССР находились в первых рядах активных исследователей акустоупругого эффекта в конструкционных материалах.

Явление акустоупругости позволяет определять по знаку и величине как одноосные, так и двухосные напряжения независимо от наличия у материала ферромагнитных или каких-либо иных специфических свойств, кроме упругих. Упругие колебания материала являются «инструментом» для его исследования, и наряду с величинами напряжений с их помощью можно получать информацию о его структурных и прочностных свойствах. Современное состояние применения акустоупругого эффекта для исследования плоского напряженного состояния конструкционных материалов с помощью объемных упругих волн освещено в книге [4].

Практическая реализация метода

Прецизионное измерение разницы скоростей волн в напряженном и «начальном» состоянии материала напоминает игру Алисы в крикет, когда перемещаются и игроки, и воротца: на изменение скорости «накладывается» изменение длины пробега волны («акустического пути»). Главными для реализации явления «акустического двулучепреломления» являются сдвиговые волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном направлению колебания «частиц» твердой среды. Направление этих колебаний (поляризация волны) может быть выбрано вдоль одного или другого компонента напряжения. В качестве «прецизионного толщиномера» для учета поперечной деформации материала при изменении его напряженного состояния применяются продольные волны [4]. Все три волны распространяются в направлении, перпендикулярном плоскости действия напряжений.


На рис. 1 схематично представлены три варианта реализации метода акустоупругости (для простоты выбран случай одноосного напряжения). Величину напряжения в этом случае можно определить по результатам прецизионного измерения времен распространения t1 и t2 импульсов сдвиговых волн, поляризованных в двух взаимно перпендикулярных направлениях 1 и 2 (1 - направление действия напряжения), на основе явления «акустического двулучепреломления»:

Необходимо войти для просмотра

где D - коэффициент упругоакустической связи (КУАС) материала конструкции;

Необходимо войти для просмотра

- параметры его акустической анизотропии после и до возникновения искомого напряжения.

К настоящему времени создана нормативная база для широкого применения метода акустоупругости при исследовании плоского напряженного состояния элементов конструкций. В 2007 г. введен в действие ГОСТ Р 52731-2007. «Контроль неразрушающий. Акустический метод контроля механических напряжений. Общие требования». С 1 января 2010 г. вводится в действие ГОСТ Р 53034-2008. «Контроль неразрушающий. Акустический метод контроля напряжений в материале трубопроводов. Общие требования».

Сравнение результатов эксперимента и аналитического расчета

Удачным примером для демонстрации возможностей метода акустоупругости, да и других неразрушающих методов определения напряжений, является нагружение закрытой трубы внутренним давлением. Это одна из немногих задач теории упругости, имеющая аналитическое решение (впервые найденное Габриелем Ламе в позапрошлом веке). Согласно этому решению, напряженное состояние стенки тонкой трубы является локально плоским, поскольку осевая (δ1≈ PR/2h) и окружная (δ2 ≈ PR/h) составляющие напряжения настолько превышают радиальную, насколько радиус трубы R превышает ее толщину h.

Для определения ультразвуковым методом двух значений напряжений надо провести измерения времени распространения (задержки) импульсов сдвиговых, поляризованных вдоль образующей трубы (t1), вдоль ее окружности (t2) волн, а также продольной волны (t3), распространяющихся в радиальном направлении перпендикулярно плоскости действия измеряемых напряжений. Осевые (oz) и окружные (ot) напряжения определяются по формулам [4]:

Необходимо войти для просмотра

где К1, К2 - величины КУАС материала

Необходимо войти для просмотра

измеряемые акустические параметры, не зависящие от изменения толщины элемента конструкции при деформации.

Акустические измерения проведены при гидроспытании трубы диаметром 1020 мм и толщиной 9 мм внутренним давлением 25 и 50 атм.

Материал - импортная сталь шведской поставки (аналог - отечественная сталь 09Г1ФБ). В экспериментах использован портативный прибор ИН-5101А в режиме акустической тензометрии. Начальные значения задержек упругих волн в материале (t01, t02, t03) измерены после опрессовки трубы давлением 70 атм. На рис. 2 представлены результаты измерения двухосных напряжений в четырех точках контроля.


Средняя разница значений напряжений, определенных акустическим методом и расчетным путем, составляет:

- для осевых напряжений 11 МПа (2 % от предела текучести материала, равного 500 МПа);

- для окружных напряжений 40 МПа (8 % от предела текучести материала).

Следует заметить, что контрольная точка № 1 находилась на расстоянии 40 мм от продольного сварного шва, то есть вблизи области подгибки кромок при формовке трубы и зоны термического влияния шва. Большое отличие экспериментальных и расчетных значений окружных напряжений в этой области, возможно, связано с тем, что при расчете по аналитическим формулам труба предполагается полностью однородной. Для контрольных точек 3 - 5, находящихся вдали от сварного шва, разница экспериментальных и расчетных значений указанных напряжений составляет 25 МПа.


Измерение осевых напряжений в патрубках нефтеперекачивающего агрегата

Многие практические задачи определения напряженного состояния требуют проведения измерений «in situ», в уже напряженных элементах конструкции. В таких случаях ультразвуковой метод (по сравнению, например, с традиционной тензометрией) имеет неоспоримые преимущества. Дело в том, что информативный акустический параметр (скорость ультразвука) - величина, присущая и ненапряженному материалу. Если нет возможности непосредственно измерить ее «начальное» значение, можно попытаться найти его иным способом. Самое простое - это измерения на образцах конструкционного материала, на ненагруженных участках конструкции, аналогичных разгруженных деталях конструкции и так далее.

Здесь приведен пример определения осевых (действующих вдоль оси трубы) напряжений в материале входных и выходных патрубков нефтеперекачивающих насосов (агрегат НМ-10000) на нефтеперекачивающей станции «Нефтеюганск». Материал патрубков -сталь марки 17Г1С. Контрольные точки для проведения ультразвуковых измерений показаны на рис. 3.

Определение напряжений проведено на патрубках насосов №№ 1, 3 и 4 в режиме «безнулевой» акустической тензометрии. Оценка осевых напряжений проведена с использованием формулы (1) на основе прецизионного измерения величин t1 и t2 - задержек в материале конструкции импульсов сдвиговых волн. Величина собственной акустической анизотропии материала

Необходимо войти для просмотра

найдена по результатам аналогичных измерений в контрольных точках патрубков демонтированного насоса № 2 (рис. 3).

Разброс параметра собственной анизотропии а0 по окружности патрубков насоса № 2 составил 0,01 %. Поскольку величина коэффициента D в (1) для трубной стали равна -1,22-105 МПа, в пересчете на напряжения такой разброс составит 13 МПа. Максимальное отклонение параметра а0 от его среднего значения равно 0,025 %. Таким образом, ошибка метода из-за неточного знания параметра а0 в точке контроля не должна превысить 30 МПа (8 % от предела текучести стали 17Г1С, принятого равным 360 МПа). Это вполне приемлемая погрешность и для второго варианта применения акустоупругого эффекта, не говоря уже о третьем (рис. 1). Результаты измерения напряжений на входе и выходе насосов приведены в таблице.


Из таблицы видно, что наибольшие значения напряжений зафиксированы на выходном патрубке насоса № 3 (более 0,5 предела текучести материала). Распределение осевых напряжений для наиболее нагруженных патрубков показано соответствующими цветами на рис. 4. Видно, что выходной патрубок насоса № 3 подвергается моменту сил, изгибающих его в плоскости, близкой к горизонтальной. Патрубки насоса № 4, по-видимому, испытывают более сложное напряженное состояние. Осевые напряжения в них достигают ± 25 % предела текучести трубной стали. При этом выходной патрубок насоса № 4 испытывает растяжение в горизонтальном направлении.


Выводы

- Явление акустоупругости позволяет определять по знаку и величине как одноосные, так и двухосные напряжения. Погрешность акустической тензометрии для плоского напряженного состояния составляет 20 - 30 МПа - примерно столько же, как для электротензометрии и рентгеновского метода.

- Возможно применение акустоупругого эффекта «in situ» для контроля напряжений при неизвестных «нулях отсчета» акустических параметров. При этом ошибка определения напряжений в слабоанизотропных материалах может быть ненамного больше той, что соответствует варианту акустотензометрии.

- Этот сравнительно новый метод измерения напряжений в твердых телах имеет большие перспективы и может быть продуктивно использован широким кругом потенциальных потребителей.

Литература

1. Benson R. W., Raelson V. J. From ultrasonics to a new stress-analysis technique. Acoustoelasticity // Product. Eng. 1959. V. 30. Р. 56-59.

2. Анисимов В. А., Каторгин Б. И., Куценко А. Н. и др. Акустическая тензометрия. - В кн.: Неразрушающий контроль / Справочник // Под ред. В. В. Клюева. Т. 4, кн. 1. - М.: Машиностроение, 2004. - 226 с.

3. Гузь А. Н., Махорт Ф. Г., Гуща О. И., Лебедев В. К. Основы ультразвукового неразрушающего метода определения напряжений в твердых телах. - Киев: Наукова думка, 1974. - 106 с.

4. Никитина Н. Е. Акустоупругость. Опыт практического применения. - Н. Новгород: ТАЛАМ, 2005. - 208 с.

Никитина Н.Е., Смирнов В.А. Новая технология определения механических напряжений в металлоконструкциях на основе явления акустоупругости. − В мире НК. – Мартя 2009 г. − № 1 (43). − С. 26–28. Статья любезно предоставлена редакцией журнала «В мире НК» (http://www.ndtworld.com). Наиболее точная и достоверная версия – в прикрепленном файле.