ПО МАТЕРИАЛАМ КОНФЕРЕНЦИИ

Предлагаем вниманию читателей окончание подборки статей по материалам 9-го Международного Симпозиума по измерительным технологиям и интеллектуальным приборам, проходившего летом 2009 г. в Санкт-Петербурге (начало подборки см. журнал «Измерительная техника» № 3, 2010 г.)

Использование измерений скорости ультразвука для определения напряженно-деформированного состояния металлических изделий

Л. Б. ЗУЕВ, Б. С. СЕМУХИН, А. Г. ЛУНЕВ

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск,

Россия, e-mail: [email protected]

Исследовано изменение скорости рэлеевских волн в деформируемых материалах. Описан прибор для точного измерения скорости распространения ультразвуковых колебаний. Показана возможность применения метода измерения их скорости для контроля качества циркониевых заготовок, используемых при холодной прокатке оболочек тепловыделяющих элементов ядерных реакторов.

Ключевые слова: ультразвуковые колебания, неразрушающий контроль, напряженно-деформированное состояние, контроль качества.

The investigations of ultrasound propagation velocity variation in deformable materials were carried out in order to determine the correlation between this velocity and the mechanical characteristics of deformable material. A detailed description of instrument for ultrasound propagation velocity accurate measurement is presented. Using Zr base alloys as an example, it is shown that the method can be used for quality control of zirconium billets, from which the nuclear reactor fuel cladding is fabricated by cold rolling.

Key words: ultrasound, nondestructive control, stress-strained state, quality control.

Ранее было установлено , что скорость распространения ультразвуковой волны в деформируемом растяжением образце зависит от общей деформации, напряжения течения и структуры исследуемого материала. Аналогичные результаты были получены для малых пластических деформаций . При исследованиях привлекла внимание форма зависимости скорости ультразвуковых колебаний (УЗК) от напряжения течения (рис. 1). Зависимость состоит из трех линейных участков, каждый из которых можно описать уравнением вида

^ = ^ + %о, (1)

где v0, % - эмпирические величины, имеющие различные значения для разных стадий пластического течения. Коэффициент % может принимать любой знак, но пропорциональность зависимости ^$(о) всегда сохраняется в пределах одного участка с коэффициентом корреляции около 0,9.

Ниже показана возможность использования уравнения (1) для определения механических свойств материалов нераз-

рушающим методом. Для этого были получены зависимости ^(о) для широкого круга металлов и сплавов (таблица).

Изменение скорости рэлеевских волн регистрировалось методом автоциркуляции импульсов непосредственно в процессе растяжения плоских образцов. Полученные зависимости ^(о) имеют одинаковый вид для всех исследованных материалов. Используя безразмерные величины скорости и напряжения и аппроксимируя выделяемые стадии линейными функциями, получаем обобщенную зависимость

/ = р,- + а, о / ов, (2)

где - скорость рэлеевских волн в ненагруженном образце, м/с; р,-, а, - эмпирические величины, не зависящие от материала; / = 1, 2 - номер линейного участка на рис. 1; ов - предел прочности исследуемого материала, МПа.

Рассчитанные значения р,-, а, для участков 1 и 2 составили Р1 = 1,0 ± 2 ■ 10-4, р2 = 1,03 ± 10-3, а1 = 6,5 ■ 10-3 ± 4,7 ■ 10-4, а2 = 3,65 ■ 10-2 ± 3,2 ■ 10-3.

Рис. 1. Зависимость скорости ультразвука от действующих напряжений в образце латуни

Из (2) следует

<зв = щ о//vS -Р/). (3)

Уравнение (3) можно использовать для оценки предела прочности при малых пластических деформациях задолго до разрушения образца. Таким образом, чтобы определить ов, достаточно измерить скорость УЗК при напряжениях в образце в пределах о02 < о < 0,6ов (где о02 - предел текучести), т. е. на участке малых пластических деформаций.

По уравнению (3) предел прочности при деформации порядка 1 % (о ~ 0,1 ов) был рассчитан для большинства материалов, приведенных в таблице. Полученные ультразвуковым способом значения сравнивали со значениями ов, найденными традиционно из диаграмм растяжения до разрыва (рис. 2). Значения и ов оказались равны с коэффициентом корреляции Я = 0,96.

Это означает, что предлагаемый метод можно использовать для оценки предела прочности материалов задолго до их разрушения. Природа полученного соотношения скорости и напряжений, возможно, заключается в том, что, с одной стороны, упрочнение материала связано с полями внутренних напряжений, которые тормозят движение дислокаций . С другой стороны, с увеличением внутренних напряжений скорость УЗК уменьшается . Таким образом, обе эти величины оказываются зависимыми от одного параметра, что в результате определяет связь между скоростью УЗК и механическими характеристиками материала.

Для использования ультразвукового метода в лабораторных и полевых условиях были разработаны два прибора: ANDA (акустический прибор для неразрушающего анализа состояния материалов в лабораторных условиях) и ASTR (прибор для определения остаточных напряжений металлоконструкций в полевых условиях). Принцип измерения скорости распространения рэлеевских волн, примененный в приборах, основан на методе автоциркуляции импульсов . Погрешность измерения составляет 3 ■ 10-5, работа с прибором не требует от оператора специальных знаний.

Суть метода автоциркуляции состоит в создании замкнутого контура для прохождения импульса. Под действием короткого электрического импульса излучающий пьезопреоб-разователь формирует акустическую волну в образце. Прошедшая от передающего к приемному пьезопреобразова-телю волна преобразуется обратно в электрический сигнал и вновь поступает в излучающий преобразователь. Таким образом, при неизменном расстоянии между преобразователями частота появления импульса в определенной точке цепи будет зависеть от времени прохождения акустического сигнала в образце и задержки в схеме прибора. Поскольку задержка в схеме пренебрежимо мала по сравнению с временем распространения акустической волны в образце, частота автоциркуляции будет характеризовать скорость распространения УЗК в образце. В данном случае поверхностные волны Рэлея имеют частоту 2,5 МГц.

Химический состав исследованных сплавов

Номер Материал Символ C N Si Mg Mn Li Cr Cu Ni Zn Pb Zr Ti Sn Nb

1 Сталь 0,12 - 0,8 - 2,0 - 17,0-19,0 0,3 9,0-11,0 - - - 0,5-0,8 - -

2 То же ■ < 0,12 0,008 0,5-0,8 - 1,3-1,7 - < 0,3 < 0,3 < 0,3 - - - - - -

3 » ▲ < 0,12 0,008 0,8-1,1 - 0,5-0,8 - 0,6-0,9 0,4-0,6 0,5-0,8 - - - - - -

4 » ♦ 0,14-0,22 - 0,12-0,3 - 0,4-0,65 - < 0,3 < 0,3 < 0,3 - - - - - -

5 Дюралюминий ® - - < 0,5 1,5 - - - 4,35 < 0,1 < 0,3

6 Al-Mg + - - 0,25 5,8-6,2 0,1-0,25 1,8-2,2 - - - - - 0,1 - - -

7 Al-Li X - - 0,15 - - 1,8-2,0 - 2,8-3,2 - - - 0,12 0,12 - -

8 Латунь - - < 0,1 - - - - - - 38,0-41,0 0,8-1,9 - - - -

9 Zr--Nb * - - - - - - - - - - - 99,0 - - 1,0

10 Zr-Nb - - - - - - - - - - - 97,5 - 1,0 1,0

600500-400^ 300^

200200 300 400 500 600

Рис. 2. Корреляция между пределами прочности, определенным ультразвуковым методом и пределом прочности, полученным по диаграмме растяжения образца (обозначения см. в таблице)

Ультразвуковой датчик, устанавливаемый на объект исследования, имеет два наклонных пьезопреобразователя, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга, называемом базой. Наклон пьезопреобразователей выбирают таким образом, чтобы формировать в объекте исследования поверхностную волну Рэлея. Для надежного измерения скорости необходимо обеспечить контакт с металлом контролируемого изделия зачисткой последнего от краски, грязи и окислов, поверхность должна быть ровной, датчик должен быть прижат к месту контроля. Акустический контакт с пьезопреобразователем обеспечивается жидкой неагрессивной смазкой, например, трансформаторным маслом. При этом следует помнить, что пространство между пьезопреобразователями должно оставаться сухим и чистым.

Одним из применений рассматриваемого ультразвукового метода является оценка напряженного состояния в циркониевых заготовках, используемых для производства оболочек тепловыделяющих элементов ядерных реакторов. В процессе холодной прокатки трубок из сплава Zr-Nb в заготовке формируется сложное распределение внутренних остаточных макронапряжений, которые могут привести к разрушению заготовки на одной из стадий обработки. Для оптимизации процесса прокатки требуется учитывать уровень и распределение остаточных напряжений в рабочих заготов-

а, МПа 1000"

Рис. 3. Распределение внутренних напряжений в Zr-заготовке круглого сечения

ках. Использование традиционных методов, таких как рентгеновский , для определения внутренних напряжений на заготовках большой протяженности связано со значительными временными затратами и фактически невозможно в условиях поточного производства.

Для рабочих заготовок было проведено исследование по определению внутренних напряжений с помощью ультразвукового прибора ASTR. В деформируемых в широких пределах напряжений образцах Zr-Nb-сплава 9 (см. таблицу) были выполнены измерения с целью установления зависимости скорости УЗК от напряжений. Наиболее важные результаты были получены для рабочих заготовок, в которых внутренние напряжения менялись в широком диапазоне. Предполагается расширить применение неразрушающих методов для определения остаточных напряжений в тонкостенных циркониевых трубках, производимых холодной прокаткой . Это позволит усовершенствовать существующую технологию их изготовления. Исследование выполняли как на трубках, так и заготовках из сплавов 9 и 10 на основе Zr.

Ресурс работы материалов и конструкций в большинстве случаев зависит от однородности структуры материала и напряженно-деформированного состояния конечного изделия выполненного из этого материала. На заготовках были измерены остаточные напряжения как рентгеновским методом, так и ультразвуковым, результаты полученных измерений были сопоставлены.

Обнаружено, что м

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст . Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут . Стоимость одной статьи — 150 рублей .

Пoхожие научные работыпо теме «Метрология»

• OPTICAL EMISSION CHARACTERIZATION OF LASER ABLATED ZIRCONIUM PLASMA

  HANIF M., SALIK M. - 2015 г.

• NON-DESTRUCTIVE EVALUATION OF THE YIELD STRESS FOR LOW CARBON STEEL BY ULTRASOUND MEASUREMENTS

  KAVARDZHIKOV V., PASHKOULEVA D., POPOV AL. - 2013 г.

• ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ДЕРЕВОПЛИТЫ УЛЬТРАЗВУКОВЫМИ И СТАТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УПРУГОЙ АНИЗОТРОПИИ

  АББАСИ МАРАШТ А., КАДЖЕМИ НАДЖАФИ С., ЭБРАХИМИ Г. - 2004 г.

• THERMOGRAPHIC, ULTRASONIC AND OPTICAL METHODS: A NEW DIMENSION IN VENEERED WOOD DIAGNOSTICS

  AVDELIDISB N.P., KOUI M., SFARRAA S., THEODORAKEASB P. - 2013 г.

Одним из важнейших моментов наблюдений является контроль за напряжённым состоянием массива, с помощью которого устанавливаются места концентрации упругих деформаций, появляющиеся в нарушенном разработками массиве при разгрузке от напряжений. В настоящее время существует несколько методов определения напряжений в массиве горных пород .

Метод разгрузки применяется для измерения упругих деформаций в достаточно крепких породах после их отделения от массива с последующим восстановлением характеристик элементов формы пород.

Значения напряжений в горном массиве определяются тремя способами (рис. 7):

упругое восстановление торца скважины при выбуривании керна (способ ВНИМИ);

изменение диаметра центрального отверстия в выбуриваемом керне (способ Хаста);

деформации стенок центрального отверстия в выбуриваемом керне (способ Лимана).

Рис. 7. Схема определения напряжений методом разгрузки: I - по ВНИМИ; II - по Хасту; III - по Лиману; 1 - буровой станок; 2 - измерительная скважина; 3 - регистрирующая аппаратура; 4 - датчик на торце скважины; 5-деформометр; 6 - наклеиваемые тензометры

При измерении упругих деформаций в породном массиве в результате его разгрузки от напряжений, необходимо учитывать, трещиноватость и неоднородность пород, значения коэффициента Пуассона и модуля упругости, направление и глубину измерительных скважин. Для этих целей в местах наблюдения бурятся скважины.

Метод компенсационной нагрузки основан на восстановлении упругой деформации после повторного нагружения, частично разгруженного массива, давильным устройством. Прибор для измерения напряжений в породном массиве устанавливается на репере, забетонированном в неглубоких скважинах, пробуренных в стене выработки (рис. 8). В образованную недалеко от репера щель, необходимую для разгрузки от напряжений на наблюдаемом участке, устанавливается давильное устройство. Удельное давление в щели, создаваемое гидродомкратом, повышается до исходного уровня, что соответствует величине напряжения в массиве в данный момент.

Рис. 8. Схема определения напряжений методом компенсационной нагрузки: 1 - гидродомкраты; 2 - шланг; 3 - гидронасос; 4 - измерители деформаций

Метод разности давлений основан на создании в скважине, пробуренной в породе, окружающей горную выработку, в которой помещен гидравлический баллон, принудительной начальной величины давления (рис. 9).

Рис. 9. Схема определения напряжений методом разности давлений: 1 - гидродатчик; 2 - трубопровод; 3 - самопишущий манометр; 4 - вентильные устройства; 5 - пресс-расходомер; 6 - манометр; 7 - ручной насос

В результате деформирования баллона, находящегося в скважине, вызванного изменением напряженного состояния массива, меняются показания давления жидкости на манометре, присоединенном к баллону. Разность показаний на манометре величин первоначального и последующего давлений, характеризует изменения напряжений на обследуемом участке во времени и в пространстве.

Метод упругих включений основан на наблюдении за изменением величин напряжений в датчике из стекла, оптического или других материалов, прикрепленных на крепь выработки или породу (рис. 10).

Рис. 10. Схема определения напряжений методом упругих включений: 1 - фотоупругий датчик; 2 - цементный слой

Метод буровых скважин основан на измерении деформометром, находящимся в скважине, величины давления горных пород в поперечном и продольном направлениях (рис. 11).

Для расчёта величины напряжённого состояния массива пород по измеренным деформациям применяют формулы теории упругости с учётом реологических параметров пород, коэффициента Пуассона, модуля упругости.

Рис. 11. Схема определения напряжений методом буровых скважин: 1 - измеритель деформаций; 2 - опора деформометра; 3 - кабель

Акустический метод основан на использовании способности большинства горных пород при изменении напряженного состояния массива генерировать упругие звуковые импульсы микроразрушений.

Для регистрации звуковых импульсов, возникающих в горных породах, используются пьезоэлектрические и электродинамические геофоны, электронные усилители мощности сигналов, полученных геофонами, регистрирующие устройства с электропитанием и соединительными проводами (рис. 12).

Ультразвуковой метод основан на регистрации скорости прохождения упругих волн через массив горных пород, находящийся в напряжённом состоянии (рис. 12).

На обследуемом участке при увеличении напряжённого состояния горных пород скорость прохождения упругих волн в породном массиве увеличивается, снижается при уменьшении напряжений. В зависимости от поставленной задачи определяется количество, глубина и направление скважин в которых устанавливается излучатель, и приёмник ультразвуковых колебаний.

Рис. 12. Схема сквозного каротажа: 1 и 2 - электроды

Рис. 13. Схема электрического прозвучивания массива между двумя параллельными шпурами: 1 - излучатель; 2 и 2" - приемное устройство (два положения)

Электрический метод основан на определении удельного электрического сопротивления и электропроводности горных пород в зависимости от изменения напряжённого состояния в массиве пород (рис. 13).

В пробуренную скважину устанавливается каротажный снаряд. В результате его перемещения по скважине определяются изменения удельного электрического сопротивления пород, что соответствует с учётом установленных корреляционных связей изменению напряжённого состояния массива.

Радиометрический метод заключается в получении информации об изменении интенсивности потока гамма-излучений, в зависимости от изменения напряжённого состояния массива, после их прохождения через изучаемый участок горных пород.

Источник гамма-излучения, находящийся в измерительном зонде, перемещается по скважине. Величина напряжённого состояния массива определяется по тарировочной кривой соответствующих пород в зависимости от интенсивности потока излучения.

Оценка относительно напряжённого состояния массива осуществляется методами изменения:

сечения скважины с удалением от устья, на выход и крупность выбуриваемого штыба;

усилия подачи бура при бурении скважин на выход и крупность выбуриваемого штыба;

усилий вдавливания штампа в стенки или торец скважины;

степени разрушения кернов при бурении скважин.

Измерение напряжённого состояния в породном массиве и вокруг подземных выработок методом разгрузки производится с помощью аппаратуры и деформометров, находящихся в скважине диаметром от 36 мм до 76 мм, глубиной от 0,3 м до 20 м. При этом измеряются деформации от 110 -6 до 110 -3 единиц относительных деформаций, чувствительность приборов составляет 110 -6 единиц относительных деформаций (табл. 8).

Проведенные исследования показали, что горные выработки и массив пород находятся в постоянном взаимодействии друг с другом и оказывают взаимное влияние на параметры измерений в процессе маркшейдерского мониторинга. Технологическая и экологическая безопасность выработок вторичной многоцелевой эксплуатации может быть обеспечена только при условии проведения маркшейдерских наблюдений за их состоянием в режиме непрерывного или дискретно непрерывного мониторинга как в подземном технологическом пространстве, так и в окружающих выработки породах. Слежение за динамикой изменения параметров состояния среды объекта наблюдения должно обеспечиваться различными типами сигнализаторов, фиксирующих один или несколько критических уровней.

Таблица 8. Приборы и средства для определения напряжений в массиве пород и подземных сооружениях

Выбор места размещения измерительных устройств в каждом конкретном случае должен осуществляться с учётом экономических, технологических и других факторов, определяющих эффективность контроля.

При проведении маркшейдерских наблюдений в подземных выработках вторичной многоцелевой эксплуатации, пройденных в неустойчивых породах (III категория) и средней устойчивости (II категория), закреплённых монолитной железобетонной, металло-бетонной, сборной железобетонной или бетонной крепью с податливой забутовкой и последующим тампонажем закрепного пространства с анкерным упрочнением, необходимо устанавливать измерительные приборы непрерывного или дискретно непрерывного действия. Установка конкретного прибора зависит от состояния выработки, цели её использования. Так, в выработках долговременной эксплуатации при размещении складов целесообразно вести наблюдения как за породами, так и за крепью выработки. Для этого необходимо использовать импульсные радиометрические датчики дискретно непрерывного действия. Они срабатывают в зависимости от заложенных в измерительное устройство фиксированных параметров, несущей способности пород и конструктивной податливости крепи. Измерительное устройство при контроле состояния породного массива устанавливается в пробуренное в породе, окружающей выработку, отверстие. Изменения геометрических и прочностных характеристик крепи определяются при установке устройства на крепь.

д.т.н., профессор Дубов А.А., к.т.н. Власов В.Т.

Предисловие

Идеологическую основу энергетической концепции диагностики НДС определили результаты изучения объективных процессов перераспределения собственной энергии материала и установление закономерностей, описывающих объективно существующие связи макрохарактеристик материала с параметрами внешнего воздействия и реакцией на воздействие.

В процессе разработки данной концепции возникла необходимость, а затем появилась и возможность создания инструмента для проведения дальнейших исследований и развития теории - новой семимерной динамической саморегулирующейся модели материала, учитывающей взаимодействие нормальных и сдвиговых напряжений и деформаций, модели, изменяющей свои параметры в зависимости от амплитудных (вплоть до разрушающих) и частотных (от статики и инфразвуковых до ультразвуковых) характеристик внешнего воздействия.

Энергетическая концепция диагностики НДС материалов и ее наиболее важные следствия докладывались Власовым В.Т. на научно-технических советах Государственного института физико-технических проблем (Председатель НТС академик Лупичев Л.Н.) и Международного института безопасности сложных технических систем на базе Института Машиноведения РАН (Председатель НТС чл. кор. РАН Махутов Н.А.) и получили высокую оценку.

1. Внутренние напряжения, классификация и влияние на прочность материалов

Наиболее коварной причиной внезапных разрушений объектов являются внутренние остаточные механические напряжения, возникающие в детали, сварном соединении или конструкции в целом. Эти напряжения в сталях могут достигать предела текучести, а в алюминиевых и титановых сплавах 70-80% предела текучести и часто оказываются более опасными в отношении снижения прочности, чем некоторые типы дефектов.

Остаточными напряжениями принято называть такие напряжения, которые существуют и уравновешиваются внутри твердого тела, жесткого агрегата материалов, сборной или сварной конструкции после устранения причин вызвавших их появление. Эти напряжения всегда внутренние, и их образование всегда связано с неоднородными линейными или объемными деформациями в смежных объемах материала, агрегата или конструкции.

Остаточные напряжения делят на три рода, классифицируя их по протяженности создаваемого ими силового поля:

• первого рода - уравновешивающиеся 1) в макроскопических объемах (в пределах детали или конструкции);
• второго рода - уравновешивающиеся в микрообъемах (в пределах кристаллитов структуры металла);
• третьего рода - уравновешивающиеся в ультрамикроскопических объемах (в пределах кристаллической решетки). Такие определения остаточных напряжений впервые в 1935 году дал Давиденков Н.Н.

1) Термин "уравновешиваются" не вполне корректен, и правильнее употребить другой термин, например, "развиваются" или "возникают". Дело в том, что напряжения всех трех родов связаны между собой и каждое из напряжений является причиной или следствием напряжений "соседних" родов, а в случае "уравновешивания" в пределах своих объемов мы имели бы самодостаточные напряжения, не связанные друг с другом.

Вообще, изучение остаточных напряжений началось очень давно. Первые серьезные исследования провели Родман В.И. в 1857 году и затем Умов И.А. в 1871 году. Начало же систематических исследований было положено в 1887 году Калакуцким Н.В., который впервые разработал метод расчета остаточных напряжений и впервые предложил экспериментальные методы их измерения. В последующие годы методы исследования остаточных напряжений сводились в основном к развитию методов их измерения - важной практической задаче в проблеме определения надежности конструкций.

Как сказано выше, остаточные напряжения относятся к внутренним напряжениям материала. Внутренние напряжения - это проявление процессов взаимодействия собственной внутренней энергии материала с энергией внешнего поля (силового, теплового и др.), воздействующего на материал, оформленный в виде конкретной детали или конструкции. Поэтому к внутренним напряжениям относятся также напряжения, которые возникают в материале эксплуатируемой детали или конструкции под действием внешних полей и определяют сопротивляемость материала внешним воздействиям - его прочность. При этом, изменение и перераспределение внутренней энергии материала между ее составляющими под действием эксплуатационной нагрузки приводит к появлению "новых" остаточных напряжений. Во избежание путаницы целесообразно ввести следующую классификацию внутренних напряжений:

• технологические остаточные напряжения - это напряжения, являющиеся следствием физических и физико-химических процессов, начинающихся в материале при изготовлении детали или конструкции 2) и продолжающихся после изготовления;
• нагрузочные напряжения - это напряжения, возникающие в материале эксплуатируемой детали или конструкции как упругая реакция материала на внешнюю нагрузку, нагрузочные напряжения исчезают при снятии внешнего воздействия;
• эксплуатационные остаточные напряжения - это напряжения, являющиеся следствием процессов взаимодействия собственной внутренней энергии материала детали или конструкции с энергией внешнего поля, возникающие и накапливающиеся в материале в течение всего срока эксплуатации детали или конструкции;
• рабочие напряжения - это векторная сумма технологических, нагрузочных и эксплуатационных напряжений;
• фактические напряжения - это векторная сумма технологических и эксплуатационных напряжений, сложившаяся на момент проведения измерений.

2) Каждая технологическая операция всего цикла изготовления детали или конструкции последовательно вносит свои остаточные напряжения, имеющие характерные особенности. Результатом их динамического векторного взаимодействия и будут остаточные технологические напряжения.

Таким образом, прочность, надежность и степень пригодности сварных конструкций для использования по эксплуатационному назначению во многом определяются наличием, характером и величиной рабочих и фактических внутренних напряжений. Во многом, но далеко не во всем, и виной тому деградация материала в процессе длительной эксплуатации.

2. Деградация материала и ее роль в прочности материала

Действительно, на стадии проектирования и строительства объектов механические свойства используемых конструкционных материалов известны с необходимой точностью, а при возможности экспериментального определения остаточных напряжений можно оценить и начальный ресурс прочности объекта. Причем, точность и достоверность оценки ресурса объекта на стадии его сооружения не представляется серьезной характеристикой, ведь есть предпусковые испытания, а 15 или 20 лет ресурса не так важно - это еще далеко!

Но когда приблизился, а в ряде случаев уже наступил срок предполагаемого физического износа оборудования и конструкций, точность и достоверность оценки остаточного ресурса становятся, в прямом смысле слова, жизненно важными. Вот здесь и приобретают острейшую актуальность методы определения остаточного ресурса ответственных объектов и методы продления сроков их безопасной эксплуатации с учетом реальных условий, часто приводящих к непредсказуемым изменениям свойств материала, к его деградации. А конечная стадия деградации материала - это уже вновь появившиеся дефекты, процесс "подрастания" которых в условиях эксплуатации конструкции из деградирующего материала слабо изучен и часто развивается лавинообразно, так что время, оставшееся до разрушения конструкции, оказывается неизвестным и часто слишком малым для предотвращения катастрофы.

Поэтому для получения достоверных результатов расчета остаточного ресурса прочности объектов, эксплуатируемых длительное время, необходимо знать в первую очередь фактические механические характеристики материала 3) и характеристики его напряженно-деформированного состояния, сложившегося к настоящему времени в результате эксплуатации объекта.

3) Заметим, что без знания фактических механических характеристик материала, сложившихся в процессе длительной эксплуатации объекта, бессмысленно требовать получения абсолютных величин внутренних напряжений, - их не с чем сравнивать! В этих случаях гораздо полезнее качественные изменения поля напряжений.

Эта задача стала главной не только в изучении и оценке статической прочности объектов, она становится решающей в изучении и оценке усталостной прочности в связи с локальным характером усталостного разрушения и сильной его зависимости от фактического напряженно-деформированного состояния материала.

Итак, при решении проблемы надежности объектов ответственного назначения последовательно возникали следующие задачи:

• определение остаточных напряжений ;
• определение характера внутренних напряжений и величин составляющих ;
• определение фактических механических характеристик материала и характеристик его напряженно-деформированного состояния .

Совершенно очевидно, что обеспечить такую возможность должны неразрушающие методы диагностики состояния конструкционных материалов. Но готовы ли они решать такие задачи?

Принципиальная новизна метода МПМ заключается в использовании объективно существующего, но не изученного ранее, явления "магнитопластики" . Изучение сложных процессов перераспределения собственной энергии материала под действием внешних силовых и/или магнитных полей потребовало знаний не только из областей металлофизики, теорий упругости, пластичности и прочности, механики разрушения, основ радиотехники и даже термодинамики, но заставило обратиться к таким областям науки, как квантовая физика, физика твердого тела, теория дислокаций, теория электромагнитного поля, - казалось бы далеким от решаемых практических задач. Но полученные результаты превзошли ожидания: удалось установить не только функциональную связь различных внутренних энергетических полей между собой и с внешними полями, что обеспечивает развитие таких известных активных методов диагностики, как метод коэрцитивной силы, метод остаточной намагниченности, метод шумов Баркгаузена и др., но и выявить количественные критерии определения сильных и слабых магнитных полей, энергетические соотношения силовых и магнитных полей, определяющие границы магнитоупругости и впервые вводимого в практическое использование явления магнитопластики.

Некоторые результаты совместной работы в области экспериментальных и теоретических исследований физики магнитных явлений действительно не укладываются в классические представления о магнетизме и доменной структуре. Однако при этом, они не только не противоречат, но и стирают "белые" пятна в теории магнетизма, о которых давно и хорошо известно специалистам, работающим в этой области.

Заметим, что нами получена не система отдельных установленных фактов , подтверждаемых результатами экспериментальных исследований, проведенных Дубовым А.А., и экспериментами, полученными еще раньше, конечно, независимо от него известными отечественными и зарубежными исследователями магнитных явлений, а разработана логически выстроенная на примере железа теория доменной структуры .

Полученные результаты тезисно докладывались в 2002 году в Петербурге на XVI Всероссийской конференции по диагностике и более подробно в 2003 году на III Международной конференции "Диагностика оборудования и конструкций с использованием МПМ". Работа заинтересовала специалистов, активно работающих в области диагностики НДС материалов магнитными методами. Однако, ни на одном из этих наших докладов, к сожалению, мы не увидели известных отечественных ученых-магнитчиков.

В настоящее время мы готовим к печати книгу, представляющую подробное содержание проделанной работы.

3. Классификация и анализ физических методов диагностики конструкционных материалов

Приблизится к ответу на этот вопрос позволил анализ тенденций развития существующих неразрушающих методов и средств контроля 4) . Рассмотрим динамику распределения усилий ученых в области развития методов и средств диагностики, объединив тематики родственных исследований в направления.

4) Анализ проведен по материалам международных конференций, симпозиумов и специальной периодической литературе за периоды с 1966 по1974 годы (выборка представлена - 125 публикациями) и с 1987 по 1994 годы (здесь проанализировано более 1000 докладов и статей).

Таблица 1. Динамика распределения научных сил по направлениям.

Заметим, что с начала 90-х годов поиск новых подходов к диагностике материалов становится главным направлением развития средств диагностики. При этом следует сказать, что наблюдаемое в настоящее время повышение интенсивности работ по поиску новых подходов к диагностике, - это уже третий, более мощный подъем интереса к этому направлению, появившемуся в конце 50-х годов и имевшему первый пик в середине 80-х годов, второй - в начале 90-х. Сделанный вывод убедительно подтверждается все боле заметной переориентацией тематической направленности докладов и экспозиции не только Российских, но и международных научно-технических конференций "Неразрушающий контроль и диагностика", начиная с 1997 года.

Рост научного интереса к новым подходам к диагностике очевиден. Но нельзя не обратить внимания на то, что значительно вырос объем работ и по II-му направлению - совершенствованию норм разбраковки на основе статистических исследований . А это, по мнению авторов, свидетельствует не только о желании повысить достоверность результатов дефектоскопии, но и о все более ощутимой недостаточности информации, получаемой при диагностике объектов, для оценки их состояния.

Анализ работ, представляющих научные направления, позволяет увидеть, что, в сущности, конечные цели некоторых работ разных направлений - одинаковые. Действительно, фактической целью работ, посвященных совершенствованию норм разбраковки и исследованию влияния дефектов на прочность конструкций - является поиск новых информативных характеристик дефектов, определяющих степень их опасности при эксплуатации конструкции. А тематики, связанные с исследованием эмиссии волн напряжения и с разработкой методов и средств определения напряженного состояния материалов, являются попыткой решения проблемы оценки надежности конструкций новыми путями.

Правильность определения тенденций развития средств диагностики, выявленных в начале 90-х годов, когда мировая прикладная наука накопила в области разработки методов и средств диагностики большой опыт, не вызывает сомнений ведь это, по сути, всего лишь статистика. А вот перспективность направлений в аспекте полезности их результатов в решении задачи оценки остаточного ресурса сложных технических объектов не бесспорна.

Более глубокий анализ работ отечественных и зарубежных исследователей привел автора к двум следующим предварительным выводам:

Во-первых, нисколько не намереваясь принизить важность I-го и II-го направлений и значительность успехов, достигнутых там, автор считает, что с точки зрения возможности выхода на качественно новый , в принципиальном аспекте, уровень определения надежности объектов, эти два направления бесперспективны , поскольку они замкнуты друг на друга: новые приборы позволяют совершенствовать нормы контроля, а новые нормы стимулируют совершенствование приборов.

Во-вторых, как показал анализ работ по III-му направлению, несмотря на приток новых интеллектуальных сил и современных компьютерных средств, "прорыв" к качественно новому уровню пока не предвидится .

Дело в том, что III-е направление разрабатывает две разные, не пересекающиеся концепции, не претерпевшие никаких изменений с конца 50-х годов (с момента появления метода АЭ), хотя, в сущности, и методы измерения напряженного состояния, и методы АЭ имеют в качестве объекта изучения разные фазы одного и того же процесса - реакции материала на нагружение и воздействие факторов среды.

Кроме того, возможности современной микроэлектроники и компьютерной техники увели многих западных специалистов в сторону от решения чисто физических задач, а ведь там, в физике процессов спрятан искомый ответ. Многие отечественные специалисты, пытаясь догнать зарубежных в направлении совершенствования средств контроля, "въезжали" в ту же, но уже разбитую, колею 5) .

5) В последнее время в части разработки программного продукта для диагностики ряд частных отечественных фирм вышел на передовые позиции, обогнав известные зарубежные фирмы. Наиболее интересные результаты получены на фирме ООО "Интеллект" в Нижнем Новгороде (руководитель Углов А.Л.).

Итак, результаты анализа можно сформулировать следующим образом:

• главное направление развития средств диагностики материалов - поиск возможностей определения неких механических характеристик материала , связанных с его напряженным состоянием, по параметрам физических полей, используемых для диагностики;
• перспективность существующих концепций, лежащих в основе важных и интересных исследований по главному направлению, вызывает серьезные сомнения .

Безусловно, сомнения в перспективности концепций, лежащих в основе главного направления развития средств диагностики состояния материала, в аспекте существенного повышения достоверности оценки надежности конструкций требует серьезных доказательств.

Современная диагностика имеет большой арсенал разновидностей методов и средств измерения механических характеристик материалов. Наиболее широко представлены методы и средства измерения остаточных и упругих внутренних напряжений.

Существует стандартная классификация неразрушающих методов диагностики, разделяющая их по характеру взаимодействия физических полей или веществ с контролируемым объектом и по способам получения первичной информации на девять видов: магнитные, электрические, вихретоковые, радиоволновые, тепловые, оптические, радиационные, акустические и капиллярные. Каждый из видов, в свою очередь подразделяется на различные группы.

Эта классификация, введенная для методов и средств дефектоскопии и применяемая сейчас для классификации методов и средств диагностики напряженного состояния материалов, носит формальный характер , разделяя все многообразие неразрушающих методов диагностики скорее по способу выделения используемого эффекта , чем по типу физических полей.

Однако, при решении задач следующего, более высокого уровня сложности - задач определения свойств материалов, в частности механических характеристик, необходимо провести боле четкое разделение методов именно по типу физических полей .

В сущности, определение свойств материала сводится к измерению изменений неких параметров используемых физических полей. Иными словами, если на объект исследования, обладающий некоторыми заранее неизвестными способностями сопротивления внешним воздействиям, оказать воздействие физическим полем, имеющим известные или заданные параметры 6) , то изменения параметров используемого поля, вызванные реакцией объекта, будут представлять "отпечаток" его свойств в области, заданной типом физического поля. При этом, "отголоски" реакции будут видны и в пространствах других полей, но как косвенные "отпечатки" или вторичная реакция. Так, например, если воздействовать тепловым полем, то прямыми характеристиками будут тепловые, а косвенными - механические, электромагнитные и др. Если же воздействовать на объект механическим силовым полем, то прямые характеристики реакции будут относиться к механическим характеристикам, а косвенные проявления можно наблюдать в тепловых, электромагнитных и других полях.

6) "Известные" и "заданные" далеко не всегда одно и тоже. Вообще, "заданные" параметры известны, но часто они относятся к внешним условиям возбуждения поля в исследуемом материале, при этом параметры фактически возбужденного поля остаются частично или полностью неизвестными.

Сортируя известные методы диагностики состояния материалов по типу физических полей, получаем следующие виды:

• электрические ;
• магнитные ;
• электромагнитные ;
• тепловые ;
• механические .

При этом, такие известные и широко применяемые методы как оптические, радиоволновые, рентгеновские, акустические, голографические, капиллярные, методы электрического сопротивления, тензометрические, а также методы муара, сеток, фотоупругости и другие не исчезли, они заняли свои места в этих пяти видах.

Не забывая, что классификация методов диагностики не является самоцелью, а лишь средством в поиске причин низкой достоверности их результатов, рассмотрим подробнее лишь некоторые, наиболее характерные виды диагностики.

В исследованиях свойств материалов наиболее широко представлены электромагнитные методы , которые в зависимости от диапазона частот разделяются на следующие группы или подвиды (по возрастанию частоты возбуждаемого поля): радиоволновые, СВЧ-методы, инфракрасные, оптические (видимый диапазон), ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-методы . Все эти разновидности, так или иначе, основаны на взаимодействии возбуждающего электромагнитного поля с собственными электромагнитными полями исследуемого материала, создаваемыми его молекулами, атомами или их электронными оболочками. Причем наибольший эффект проявляется тогда, когда частоты возбуждающего и собственных полей близки, что, собственно, следует из молекулярной термодинамики и подтверждает ее выводы. Частоты же собственных электромагнитных полей, лежащие в существенно разных диапазонах, конечно же, зависят от напряженного состояния материала. Отсюда и появляется такое разнообразие подвидов электромагнитных методов.

Наиболее распространенный на практике рентгеновский метод использует изменение спектра отраженных лучей, вызываемое изменением частоты колебаний узлов кристаллической решетки и изменением расстояний между узлами или кристаллографическими плоскостями. Информативными параметрами рентгеновского метода являются: интенсивность, положение и ширина дифракционных пиков спектра , определяемые деформацией кристаллической решетки.

К механическим методам 7) диагностики свойств материала относятся различные разновидности статических и динамических методов измерения твердости и других механических характеристик материалов, использующих результаты контактного взаимодействия пробного тела - индентора и исследуемого материала 8) . Это давно известно и совершенно очевидно.

7) Наиболее распространенный механический метод диагностики - измерение твердости материалов является условно неразрушающим, поскольку качество поверхности объекта все-таки меняется. Применение этого метода ограничивается эксплуатационными требованиями к качеству поверхности.

8) Анализ существующих методов определения характеристик материалов по параметрам контактного деформирования и обширная библиография даны в докторской диссертации Рудницкого В.А.

А вот отнесение акустических и, в том числе, ультразвуковых методов к механическим видам выглядит, мягко говоря, несколько непривычным. Но, в сущности, это справедливо, ведь акустическое поле - это поле механических напряжений, создаваемое тем или иным способом в ограниченном объеме исследуемого материала и вызывающее колебательные или апериодические смещения частиц материала, т.е. локальные деформации материала. По сути, этот ограниченный деформированный объем материала и является индентером, замечательная особенность которого состоит в том, что он может перемещаться внутри исследуемого материала. Причем размеры деформированной области определяются не параметрами кристаллической решетки (в случае металлов и других кристаллических или поликристаллических материалов) или размерами молекул (в случае аморфных материалов), а длиной волны возбужденного в материале поля и составляют от долей до десятков мм .

Теперь, сравнивая два рассмотренных метода, можно понять, почему результаты измерения внутренних напряжений рентгеновским и акустическим методами просто обязаны быть разными, ведь в первом случае определяющим фактором является деформация на микроуровне, создающая напряжения III-го рода, а во втором - совокупность напряжений I-го и II-го родов. А все эти три рода напряжений, при всей неразрывности связи их между собой, имеют не только существенно разные величины, но разный характер и, часто, разные знаки. Более того, тарируя рентгеновский метод, реагирующий на микродеформации, определяющие напряжения III-го рода, на образцах по усилиям растяжения или сжатия, т.е. фактически по напряжениям I-го рода, допускают грубую принципиальную ошибку, о которой часто и не подозревают.

Как видим, предлагаемая классификация физических методов диагностики , позволяя взглянуть на методы диагностики с другой, менее привычной стороны, дает повод задуматься о механизме связи параметров физических полей, применяемых для диагностики, с измеряемыми характеристиками материала и свойствами материала в целом , а также показывает насколько близок используемый для диагностики физический метод к измеряемым характеристикам исследуемого материала.

Другими словами, классификация физических методов приобретает принципиальный характер в аспекте задачи определения напряженного состояния материала , указывая путь установления причин слишком низкой достоверности 9) результатов измерения характеристик напряженного состояния материалов.

9) Здесь уместно напомнить о результатах сопоставительных испытаний различных физических методов при измерении остаточных напряжений, когда измеренные величины отличались не только количественно, но и по знаку: одни методы говорили о сжатом состоянии материала, а другие - о растянутом.

Таким образом, классификация и анализ физических методов диагностики напряженного состояния материалов физических методов диагностики позволяют сделать первый, совсем не сенсационный, но важный вывод: прямыми методами исследования свойств материалов являются механические методы диагностики, а все остальные методы (по предлагаемой классификации) являются косвенными .

4. Оценка достоверности результатов диагностики состояния материалов

Итак, практически все методы диагностики напряженного состояния материалов или являются косвенными, или применяются как косвенные.

Идеологической основой косвенных методов является использование неких аппроксимирующих функций, полученных чаще экспериментальным и иногда теоретическим путем и отражающих объективно существующую связь регистрируемых изменений параметров используемого поля с фактически произошедшими изменениями состояния материала, обычно выражаемого отдельными механическими характеристиками или некой совокупностью его характеристик. Но поскольку эта связь, являясь следствием вторичных явлений преобразования внутренней энергии материала, сопровождающих процесс изменения его состояния, определяется многими факторами, то область правомерного применения косвенных методов, ограничивается адекватностью применяемых аппроксимирующих функций исследуемым процессам . При этом, определить границы этой области если и возможно, то лишь качественно .

Принципиально важными параметрами полей, вводимых в материал для исследования его свойств, являются энергетические параметры и, в первую очередь, интенсивность и мгновенная мощность 10) . Дело в том, что вводимое в исследуемый материал поле, взаимодействуя с собственными полями материала, меняет его свойства. При этом характер, величина и время жизни 11) изменений определяются динамическим соотношением энергий взаимодействующих полей. Чаше всего изменения свойств материала в процессе проведения диагностики просто не замечают, либо, не предполагая возможности таких изменений, либо, зная о них, сознательно пренебрегают, считая интенсивность полей, применяемых для диагностики, малой. Но в обоих случаях мы имеем еще один источник методической погрешности измерения характеристик материала косвенными методами. А величина этой погрешности может быть очень большой.

10) Мощность - энергия, передаваемая вводимым полем через рассматриваемую поверхность в единицу времени. Интенсивность - средняя по времени энергия переносимая вводимым полем через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения энергии, т.е. интенсивность - это средняя удельная мощность. Мгновенная мощность - мощность поля в данный момент времени.

11) Время жизни - условный период времени, в течение которого величина изменений, вызванных внешним воздействием, уменьшается до наперед заданной величины. Время жизни изменений определяется соотношением скоростей релаксации и ретардации (последействия).

Кроме того, большинство методов , претендующих на количественную оценку измеряемых характеристик материала, являются относительными , поскольку основаны на измерении изменений информативного параметра применяемого физического поля в нагруженном и разгруженном состояниях материала. Это достигается либо снятием нагрузки с исследуемого объекта (что на практике редко осуществимо), либо использованием образцов-свидетелей, сопоставляемых с исследуемым объектом. Понятно, что оба варианта вносят дополнительную погрешность неизвестной величины : в первом случае - вследствие протекания релаксационно-ретардационных процессов, во втором - вследствие не идентичности, как условий измерений, так и самих материалов образца и объекта, имеющих не только разную предысторию, но чаще всего и форму.

Следовательно, эти, не принимаемые ранее во внимание, методические ошибки 12) определения механических характеристик косвенными методами - основная составляющая результирующей погрешности измерения, не могут быть выражены количественно . А это значит, что при таком подходе говорить о достоверности количественных результатов измерения механических характеристик косвенными методами не корректно .

12) Методическими ошибками традиционно считаются ошибки, связанные с правильностью проведения процесса измерения - методики измерения, что, как следует из сказанного, приводит к принципиальным заблуждениям.

Последнее замечание справедливо еще и потому, что не существует достаточно убедительного экспертного метода оценки правильности и достоверности определения напряженного состояния материала .

Действительно, один из наиболее распространенных методов измерения напряжений - метод с использованием тензодатчиков, пользующийся максимальным доверием специалистов, как это не покажется странным, также является косвенным и относится к электрическим, поскольку в нем используется зависимость электросопротивления чувствительного элемента от его геометрических размеров. Т.е., фактически, это косвенный метод измерения деформации, которая, конечно, связана с величиной механического напряжения посредством модуля упругости, но, к сожалению, не только с ним одним. Поэтому область применения тензометрического метода измерения напряжений ограничена упругой областью, при этом, чем меньше мы знаем о свойствах исследуемого материала, тем меньше мы сможем сказать о напряжении, к тому же, не в материале, а только на его поверхности.

Даже разрушающие методы, такие как метод отверстий, метод столбиков или метод трепанации и другие, по сути, все-таки не могут быть эталонными, поскольку вносят свои остаточные напряжения, связанные с механической обработкой материала при высверливании отверстий или выфрезеровывании столбиков.

И, наконец, главным и самым неприятным недостатком всех неразрушающих методов является то, что, позволяя с той или иной (пусть даже большой) погрешностью оценить величину напряжения, не дают возможности определить характер деформаций, вызываемых напряжениями, фактически существующими в материале, т.е. определить состояние материала (хрупкое или пластичное) и оценить насколько близко оно к критическим состояниям материала (текучести или разрушению). Причина в ограниченных информативных возможностях методов , традиционно использующих для измерений не более 4-х независимых информативных параметров физических полей, применяемых для диагностики.

5. Выводы

Таким образом, отмечая высочайший уровень развития современных неразрушающих методов и средств диагностики материалов и конструкций, приходится констатировать не только отсутствие средств достоверного определения характеристик НДС материалов в конструкциях эксплуатируемых объектов, но невозможность оценки самой достоверности получаемых результатов.

Обобщая результаты проведенного анализа, можно сделать следующие выводы:

• все известные в настоящее время методы диагностики, кроме механических, являются косвенными и относительными ;
• разнообразие ультразвуковых методов свидетельствует об их потенциально высокой информативности, однако, существующие в настоящее время средства используют не более 4-х независимых информативных параметров ;
• ультразвуковые методы , реализуемые известными техническими средствами, при всем их многообразии, являясь интегральными спектральными или интегральными амплитудно-фазовыми, используются как косвенные методы ;
• все известные в настоящее время средства диагностики измеряют лишь некие параметры используемых физических полей, связанные в общем случае не с механическими напряжениями, а с некой совокупностью характеристик НДС материала, причем связанные недостаточно изученными и не всегда монотонными и однозначными закономерностями ;
• определение характера и величины методической погрешности измерения характеристик напряженного состояния материала невозможно ;
• достоверность и, тем более, точность измерения характеристик напряженного состояния материала неразрушающими физическими методами , приводимые разработчиками средств диагностики, вызывают серьезные сомнения ;
• не существует достаточно убедительного экспертного метода оценки правильности определения характеристик напряженного состояния материала неразрушающими физическими методами .

6. Анализ и систематизация причин низкой эффективности использования неразрушающих методов диагностики НДС

Очевидная причина столь долгого отсутствия жизненно необходимого повышения достоверности оценки и прогнозирования сроков и условий безопасной эксплуатации объектов ответственного назначения - разобщенность специалистов по прочности и разработчиков методов и средств диагностики . Эта разобщенность приводит к тому, что специалисты по прочности, из-за отсутствия объективных характеристик, отражающих свойства материала, сложившиеся на текущий момент, разрабатывают различные методики расчетов, опирающиеся на любые доступные характеристики, которые хоть качественно, хоть частично дают представление о текущем состоянии материала. А разработчики методов и средств диагностики - в гордом одиночестве "с головой ушли" в поиск методов и средств определения остаточных напряжений, подчас, не задумываясь о достоверности результатов измерений.

Эту очевидную причину недостаточной эффективности использования средств диагностики НДС конструкционных материалов при оценке ресурса объектов можно сформулировать более строго: отсутствие научно-обоснованной концепции диагностики напряженно-деформированного состояния (НДС) материалов и общей концепции комплексной диагностики . Такая формулировка пока носит частный характер, как бы не касаясь состояния дел у специалистов по прочности, но уже несет элементы конструктивизма, поскольку указывает направление действий и требует углубления анализа сложившейся ситуации.

Результаты дальнейшего анализа показывают, что истинные, глубинные причины "застоя" в решении главной проблемы сложнее и формируют две проблемы, общие для наук о прочности и наук о методах диагностики:

• идеологическую : отсутствие четкого представления об определяющей роли некоторого количества основных независимых характеристик материала и о их функционально-определяющей взаимосвязи с характеристиками напряженно-деформированного состояния (НДС) материала и, как следствие, отсутствие научно-обоснованной методологии , определяющей цели, задачи и критерии диагностики НДС конструкционных материалов;

  Действительно, отсутствие требований к измеряемым характеристикам НДС, отсутствие метрологической базы для сертификации и поверки средств измерения характеристик НДС материалов приводят к неоднозначности исходных требований и ошибочности методического подхода к разрабатываемым средствам, что влечет за собой не только недопустимо низкую достоверность результатов измерений, но, часто, и невозможность правильной идентификации измеренного параметра используемого физического поля и измеряемой физической характеристики исследуемого материала. К тому же, достоверность результатов (если, как было замечено ранее, о ней, вообще, можно говорить) оценить практически невозможно вследствие отсутствия методических и метрологических рекомендаций и норм.

• физическую : недостаточное понимание, а в ряде случаев и неизученность физических процессов взаимодействия полей, используемых для диагностики свойств материала, с его собственными полями и, как следствие, отсутствие представления о недостаточной информативности неразрушающих методов и средств диагностики , применяемых для исследования сложных физических процессов перераспределения внутренней энергии материала, выражающихся в перераспределении напряжений I-го, II-го и III-го родов, определяемых основными характеристиками материала и, одновременно, определяющих его НДС материала.

  Следует особо подчеркнуть, что в последние годы появились опасные тенденции упрощенного подхода к оценке остаточного ресурса сложных объектов. Некоторые разработчики средств измерения остаточных напряжений, проводя исследования на образцах в условиях одноосного нагружения, получают неплохую корреляцию результатов измерения одного или, в лучшем случае, двух параметров используемых физических полей с величиной нагрузки, изменяемой вплоть до разрушающей. Не утруждая себя изучением процессов сопротивляемости материала внешним нагрузкам, не пытаясь понять механику разрушения, они переносят полученные результаты на реальные объекты, полагая, что разработано уникальное средство измерения остаточного ресурса исследуемого объекта. Это, как минимум, дискредитирует новые интересные решения, но, главное, цена такого подхода к сложнейшей проблеме расчета остаточного ресурса может оказаться страшной.

Проведенный анализ причин недостаточной эффективности использования средств диагностики НДС конструкционных материалов при оценке ресурса сложных технических сооружений показывает их объективность, важнейшим следствием которой в моральном аспекте должно стать справедливое разделение ответственности за отсутствие необходимых средств диагностики свойств материалов между специалистами по прочности и разработчиками методов и средств диагностики. Осознание равенства ответственности, безусловно, сблизит позиции обеих сторон, по сути, решающих одну проблему - обеспечить приемлемые гарантии безопасности объектов, но соединить усилия можно только при конструктивном подходе.

Но главное, аналитически сгруппированные причины приобретают уже иной, активный, конструктивный характер, указывая путь решения актуальнейшей проблемы обеспечения безопасности эксплуатации сложных технических объектов.

7. Предложения

По мнению авторов, для решения проблемы достоверного измерения характеристик напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов и сварных соединений в частности необходимо провести следующие мероприятия:

7.1. Разработать единые научно-обоснованные требования к методам и средствам измерения НДС материала . Эти требования должны:

• исходить из четкого представления об определяющем значении и о взаимосвязи независимых основных характеристик материала - это идеологическая основа;
• иметь новую классификацию методов и средств измерения характеристик напряженно-деформированного состояния материалов вообще и сварных соединений в частности;
• содержать классификацию, перечень и критерии оценки основных характеристик материала и характеристик его НДС , причем эти характеристики, с одной стороны, должны подлежать обязательному измерению при диагностике состояния материала, а, с другой стороны, должны подлежать обязательному использованию в качестве базовых характеристик при проведении расчетов фактического или прогнозируемого ресурса. Конечно, это потребует корректировки методик расчета ресурса, но только так, создав условия сближения наук о прочности и наук о диагностике, можно решить проблему достижения требуемого уровня безопасности объектов .

7.2. Разработать методику и средства метрологической поверки и аттестации средств измерения параметров НДС , которые позволят объективно оценивать эффективность и точность разрабатываемых средств. Безусловно, создание достоверного экспертного метода поверки средств диагностики представляется весьма трудной задачей, решение которой может затянуться. Тем не менее, необходимо срочно вводить, хотя бы условно, единую систему стандартных средств поверки (например, образцов или методик). Такая единая система позволит не только корректно сопоставлять различные методы диагностики, но может стать впоследствии некоторым прообразом критериев оценки результатов диагностики.

7.3. Необходимо начать разработку нормативных документов, регламентирующих измерение параметров НДС материалов при диагностике объектов в зависимости от категории их потенциальной опасности для человека и окружающей среды.

В 2003 году по инициативе авторов совместно с ТК-132 "Техническая диагностика" Госстандарта разработан проект стандарта "Контроль неразрушающий. Контроль напряженно-деформированного состояния объектов промышленности и транспорта при оценке ресурса оборудования. Общие требования". Данный проект стандарта вынесен на обсуждение заинтересованных организаций и частных лиц.

В заключение заметим, что изучение сложных процессов перераспределения собственной энергии материала под действием внешних силовых, магнитных и других полей потребует знаний из, казалось бы, далеких от решаемых практических задач, областей науки: квантовой физики, физики твердого тела, металлофизики, теории дислокаций, теорий упругости, пластичности и прочности, механики разрушения, теории электромагнитного поля и даже основ радиотехники. Это, безусловно, определяет высокий уровень требований к специалистам, которые разрабатывают различные методы контроля НДС. Необходимо подчеркнуть, что диагностика НДС конструкционных материалов представляет собой следующую за дефектоскопией, более высокую ступень диагностики , и требует новой идеологии, новой концепции. Только новая концепция способна не только примирить "враждующие" сейчас в этом новом виде диагностики различные физические методы неразрушающего контроля, прекрасно уживавшиеся и дополнявшие друг друга в дефектоскопии, но с учетом специфики их физических "взаимоотношений" соединить их в единую систему, способную существенно ускорить решение проблемы повышения достоверности оценки остаточного ресурса сложных технических объектов.

Расчеты и испытания на прочность

Экспериментальные методы определения
напряженно-деформированного состояния
элементов машин и конструкций.
Метод натурной тензометрии
энергетического оборудования

Настоящие рекомендации (Р) устанавливают основные положения методики проведения тензометрических исследований напряженно-деформированного состояния элементов энергетического оборудования в натурных условиях при пуско-наладочных работах и в процессе эксплуатации. При разработке Р учтены требования основополагающих нормативно-технических документов в области метрологического обеспечения (1 ? 14).

Распространяются на сосуды и трубопроводы, работающие под давлением, а также на теплоэнергетическое оборудование ТЭС, эксплуатируемое при температуре не выше 450 °С.

Коэффициент Пуассона;

Деформация, мкм/м;

К - чувствительность тензорезистора;

Выходной сигнал (относительное изменение сопротивления тензорезистора), мкОм/Ом;

Н - суммарная неинформативная составляющая выходного сигнала тензорезистора, мкОм/Ом;

Д - неинформативная составляющая выходного сигнала тензорезистора, связанная с дрейфом выходного сигнала, мкОм/Ом;

D? t - местные деформации, обусловленные влиянием тензорезистора и его защитного устройства на температурное поле детали;

T - температурное приращение сопротивления тензорезистора, обусловленное разностью температур детали и тензорезистора (предполагается, что температуры чувствительного элемента и подложки одинаковы);

a - коэффициент линейного расширения, 1/°С;

S - среднеквадратическая погрешность измерений или определения влияющей величины.

1. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

1.1. При выполнении измерений применяются следующие средства измерений и устройства (15 ? 20):

Тензорезисторы;

Термопары;

Измерительные приборы;

Соединительные провода;

Защитные устройства.

Средства измерений должны быть поверены или метрологически аттестованы.

1.2. Тензорезисторы.

1.2.1. Тензорезисторы могут быть применены для измерений деформаций натурных объектов, работающих в стационарных и нестационарных условиях при пуско-наладочных работах и эксплуатации в широком диапазоне рабочих температур, давлений, величин деформаций.

1.2.2. Выбор типов тензорезисторов производится с учетом условий работы натурного объекта и целей эксперимента.

Основными критериями при этом являются: диапазон рабочих температур натурного объекта, предполагаемый уровень измеряемых деформаций и длительность испытаний.

1.2.3. При тензометрических исследованиях энергетического оборудования могут применяться приклеиваемые и привариваемые тензорезисторы. В случае применения привариваемых тензорезисторов следует иметь в виду, что сварка может влиять на прочность исследуемой детали.

1.2.4. Применение приклеиваемых тензорезисторов при повышенных температурах требует использования клеев горячего отверждения. Поэтому применять приклеиваемые тензорезисторы следует в тех случаях, когда возможна термообработка детали после установки тензорезисторов.

1.2.5. В тех случаях, когда невозможна термообработка детали после установки тензорезисторов, следует применять привариваемые тензорезисторы.

1.2.6. В диапазоне температур от климатических до 450 °С используются тензорезисторы типа НМТ-450.

1.2.7. При температурах до 200 °С можно применять тензорезисторы типа КФ4 и КФ5 с использованием клея горячего отверждения ВС-350. Если габариты детали не позволяют произвести термообработку, следует применить тензорезисторы КФ4 или КФ5, предварительно установленные на металлические подложки, привариваемые к детали контактной сваркой после соответствующей термообработки.

1.3. Термопары.

1.3.1. При тензометрических исследованиях в условиях повышенных температур необходимо измерять температуру детали в местах установки рабочих (и компенсационных) тензорезисторов для определения соответствующих поправок.

1.3.2. При тензометрических исследованиях энергетического оборудования следует применять термопары типа хромель-алюмель (или хромель-копель) с жаростойкой изоляцией.

1.3.3. При измерениях на внутренних поверхностях необходимо учитывать особенности измерений температур поверхностей, подверженных воздействию рабочей среды.

1.4. Измерительные приборы.

1.4.1. Основными критериями при выборе измерительных приборов для тензометрических исследований энергетического оборудования служат: диапазон и скорость изменения измеряемых величин, точность измерений и количество измерительных точек, способ регистрации и обработки результатов измерения, работоспособность в составе информационно-измерительных систем в комплексе с ЭВМ.

1.4.2. При выборе измерительных приборов следует учитывать климатические условия, в которых эксплуатируется исследуемый натурный объект, а также длину соединительных проводов.

1.4.3. Для измерения статических и квазистатических деформаций надо применять цифровые измерительные приборы ИДЦ-1, тензометрические системы СИИТ-3, СИИТ-2, К-732, К-742 и ТК-80, технические характеристики которых приводятся в таблице приложения, а также системы, имеющие аналогичные характеристики и прошедшие метрологическую аттестацию. В отдельных случаях, при небольших объемах измерительных точек могут быть применены аналоговые тензометрические мосты КСМТ-4 с записью на диаграммной ленте (пределы измерений ± 2500 и ± 5000 мкОм/Ом; цена деления 50 и 100 мкОм/Ом; число точек измерений - 1, 6, 12; цикл печатания - 1, 4, 12 с; скорость продвижения ленты: многоточечного - до 7200 мм/час; одноточечного - до 54000 мм/час; питание - 220 В, 50 Гц).

1.4.4. При подготовке к натурным измерениям и контроле тензоизмерительной схемы можно использовать прибор ИСД-3 с автономным питанием от сухих элементов (пределы измерений от 0 до 20000 мкОм/Ом, цена деления шкалы - 20 мкОм/Ом, число подключаемых тензорезисторов - до 20).

1.4.5. Для измерений деформаций при быстроидущих тепловых процессах на натурном объекте следует применять аналоговые измерительные приборы типа КСМТ-4 (см. п. 1.4.3), а также многоканальные магнитоэлектрические осциллографы типа НО.43 с усилителем типа 8АНЧ23 и 4АНЧ22 или другие системы с аналогичными характеристиками и прошедшие метрологическую аттестацию.

1.4.6. При комплексных исследованиях натурных объектов (деформации и температуры) с большим числом измерительных точек и при необходимости оперативной обработки информации в ходе эксперимента следует применять измерительные системы типа ТК-80, позволяющие вести синхронную регистрацию деформаций и температур.

1.4.7. Для измерений температур при стационарных процессах используются многоточечные автоматические потенциометры типа КСП или цифровые вольтметры Щ68003.

1.4.8. В случае применения цифровых вольтметров для измерения температур необходимо вводить поправку в результат измерений на температуру холодного спая термопары. Поправка определяется по данным прибора, контролирующего температуру холодного спая в процессе эксперимента.

1.4.9. Для измерения быстроменяющихся температур следует применять аналоговые измерительные приборы типа КСП или шлейфовые осциллографы типа НО.43.

1.5. Соединительные провода.

1.5.1. При тензометрических исследованиях энергетического оборудования необходимо применение жаростойких проводов на участке трассы с повышенными и высокими температурами.

1.5.2. Основными критериями при выборе жаростойких проводов являются диапазон рабочих температур, погонное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления, а также свариваемость провода с выводными проводниками тензорезистора.

1.5.3. Для соединения тензорезисторов с измерительными приборами можно применять на участке трассы с повышенными температурами провода типа ПОЖ или другие провода с аналогичными характеристиками; на участке с климатическим диапазоном температур - кабель типа КММ, либо аналогичный.

1.5.4. В качестве термоэлектродных проводов следует использовать провода типа ПТНО. В качестве соединительных проводов можно применять компенсационные провода (в случае использования потенциометров типа КСП) или медные провода (в случае применения цифровых вольтметров). В последнем случае необходимо вводить поправку в результат измерения на температуру холодного спая термопары (см. п. 1.4.8).

1.5.5. Длина и тип соединительных проводов должны соответствовать технической документации на измерительную аппаратуру.

1.6. Защитные устройства.

1.6.1. При тензометрических исследованиях энергетического оборудования необходима защита тензорезисторов, термопар и соединительных проводов от воздействия окружающей среды.

1.6.2. Выбор защитных устройств производится с учетом условий работы натурного объекта и его конструктивных особенностей.

1.6.3. Рекомендуемые типы металлических защитных устройств тензорезисторов и термопар приведены на рис. 1.1. Защитные устройства крепятся к детали с помощью аргонодуговой или контактной сварки и должны быть герметичны.

1.6.4. При измерениях на наружных поверхностях следует применять защитные устройства по типу «в» и «г».

1.6.5. При длительных измерениях статических деформаций на внутренних поверхностях, подверженных воздействию рабочей среды, высоких температур и давлений, используют защитные устройства по типу «а» и «б».

1.6.6. При необходимости соблюдения аэродинамической чистоты поверхности следует применять защитные устройства типа «д».

1.6.7. При измерениях деформаций в условиях воздействия быстроменяющихся температур (тепловой удар) могут быть применены защитные устройства типа «е» (гермотензодатчики), у которых защитный элемент выполняется непосредственно на подложке тензорезистора типа НМТ.

Рис. 1.1. Типы защитных устройств тензорезисторов

1 - деталь; 2 - обечайка; 3 - крышка; 4 - провода термостойкие; 5 - аргонодуговая сварка; 6 - трубка защитная; 7 - скоба; 8 - термопары; 9 - тензорезисторы (рабочий и компенсационный; 10 - колпачок фрезерованный; 11 - колпачок штампованный; 12 - сухарь; 13 - пайка; 14 - точечная сварка «вперекрышку»; 15 - пластинка защитная; 16 - изоляция; 17 - пластинка; 18 - подложка тензорезистора; 19 - контактная сварка с непрерывным швом; 20 - точечная сварка

1.6.8. Для защиты соединительных проводов используются холоднотянутые трубки из нержавеющей стали, припаиваемые (с помощью припоев ПСр) или привариваемые (аргонодуговая сварка) к защитным устройствам тензорезисторов.

2. МЕТОД ИЗМЕРЕНИЙ

2.1. Измерение деформаций выполняется методом тензометрии с применением тензорезисторов, принцип действия которых основан на тензорезистивном эффекте, т.е. изменении электрического сопротивления проводника при его деформировании.

2.2. Измерение деформаций является косвенным измерением. При воздействии на тензорезистор температуры и других влияющих факторов измеренная деформация определяется по формуле:

где? и? н - выходной сигнал и суммарная неинформативная составляющая выходного сигнала; ф t - значение функции влияния температуры на чувствительность тензорезистора при данной температуре.

2.3. Выходной сигнал тензорезистора определяется выражением (для измерительного прибора с пропорциональной функцией преобразования):

M(1 + r t /R) · ? пр, (2.2)

где D пр - разность отсчетов измерительного полумоста прибора, вызванного изменением сопротивления тензорезистора; М - номинальная цена единицы наименьшего разряда прибора; r t - сопротивление соединительных проводов (с учетом приращения от температуры); R - начальное сопротивление тензорезистора.

2.4. Структура и величина неинформативной составляющей выходного сигнала тензорезистора определяются конкретными условиями измерений (воздействие влияющих факторов) и принятой схемой измерений (способ термокомпенсации) и т.п.

2.5. При измерениях статических деформаций (стационарный режим) ? н может быть представлена выражением

Н = ? t + ? п + ? д, (2.3)

где? t - температурная характеристика установленного на объект тензорезистора; ? п и? д - неинформативные составляющие выходного сигнала тензорезистора, связанные с ползучестью тензорезистора и дрейфом выходного сигнала.

2.6. Температурную характеристику установленного тензорезистора? t рассчитывают экспериментально, как разность индивидуальной характеристики «неприваренного» тензорезистора и средней разностной характеристики, которая определяется как разность средних значений температурных характеристик выборок (из партии) «неприваренных» и «приваренных» тензорезисторов. При натурном эксперименте можно найти по данным тензорезисторов-«свидетелей» той же партии, что и рабочие тензорезисторы, и установленных на исследуемом объекте рядом с рабочими тензорезисторами на образцах из материала той же марки (плавки), что и натурный объект. Выборка тензорезисторов - «свидетелей» должна быть достаточной для надежной оценки . Схема установки тензорезисторов-«свидетелей» приведена на рис. 2.1.

2.7. Неинформативную составляющую, ? п, связанную с ползучестью тензорезистора, получают экспериментально по данным натурной тензометрии с воспроизведением реальной нагруженности исследуемого объекта. При натурной тензометрии? п (в сумме с дрейфом начального сопротивления тензорезистора) проявляется как «уход нулей», который может быть оценен сравнительным анализом показаний рабочих тензорезисторов при двух идентичных тепловых и напряженно-деформированных состояниях натурного объекта.

2.8. Неинформативную составляющую? д, связанную с дрейфом выходного сигнала тензорезистора, следует определять с учетом реальной кинетики теплового состояния натурного объекта по данным тензорезисторов-«свидетелей», устанавливаемых на исследуемом объекте, или на стенде с воспроизведением температурных режимов натурного объекта.

Рис. 2.1. Схема установки тензорезисторов-«свидетелей»

2.9. При измерениях деформаций в условиях нестационарной работы натурного объекта суммарная неинформативная составляющая? н получает приращение?? t и может быть представлена выражением:

Н = (? t + ?? t) + ? п + ? д, (2.4)

где?? t - температурное приращение сопротивления тензорезистора, обусловленное разностью температур детали и тензорезистора (предполагается, что температуры чувствительного элемента и подложки тензорезистора равны).

2.10. Приращение?? t связано с непосредственным воздействием нестационарного теплового потока рабочей среды на тензорезистор и определяется экспериментально методом моделирования (стендовые испытания) или оценивается по данным натурной тензометрии с применением приближенной зависимости

где a t - коэффициент линейного расширения подложки тензорезистора в интервале температур (t 2 - t 1); t 1 и t 2 - температуры детали и тензорезистора (температуры чувствительного элемента и подложки тензорезистора предполагаются равными).

2.11. При применении способа компенсации температурного приращения сопротивления с установкой компенсационного тензорезистора на исследуемом объекте рядом с рабочим («схемная» компенсация) структура неинформативной составляющей может быть представлена формулой:

D? н = D? t + D?? t + D? п + D? д, (2.6)

где D? t - поправка на разность значений температурных характеристик установленных рабочего и компенсационного тензорезисторов;

D?? t - поправка, учитывающая разность температурных приращений сопротивлений рабочего и компенсационного тензорезисторов, обусловленных влиянием нестационарных тепловых полей (см. п. 2.10);

D? д - поправка, обусловленная дрейфом выходных сигналов рабочего и компенсационного тензорезисторов; D? п - составляющая, обусловленная ползучестью рабочего и компенсационного тензорезисторов.

Если компенсационный тензорезистор находится в свободном состоянии, в формулу (2.6) вместо D? п следует подставлять? п, т.е. неинформативную составляющую, связанную с ползучестью рабочего тензорезистора.

Выражение (2.1) в случае применения схемной компенсации принимает вид

2.12. Точность метода измерений обеспечивается за счет следующих факторов:

Применение схемной компенсации;

Подбор в пары тензорезисторов, соединяемых в полумост, по номинальным сопротивлениям, температурным характеристикам и дрейфу;

Применение тензорезисторов-«свидетелей»;

Синхронизация записей деформаций и температур (т.е. использование единой системы отсчета времени);

Дублирование измерительных точек;

Повторение идентичных режимов испытаний.

2.13. Точность метода определяется индивидуально для каждого натурного эксперимента с учетом реальных условий его проведения.

2.14. Расчетную оценку погрешности измерений при подготовке к измерениям следует проводить в соответствии с методикой /13/.

2.15. Окончательная оценка погрешности измерений должна производится по данным тензорезисторов-«свидетелей», учитывающих реальные нагруженность и кинетику теплового состояния натурного объекта.

Измеряемая деформация при этом определяется зависимостью

или (2.8)

где D - средняя величина показаний тензорезисторов-«свидетелей», установленных по схеме рис. 2.1.

D? п и? п - см. п.п. 2.7 и 2.11.

Среднеквадратическая погрешность измерений определяется выражением

где S к и - среднеквадратичные погрешности определения чувствительности и функции влияния температуры на чувствительность тензорезистора; S ? - приборная погрешность; S D и - среднеквадратичные погрешности определения неинформативной составляющей по показаниям тензорезисторов-«свидетелей» и ползучести.

Допускается в формулах (2.8) и (2.9) не учитывать величины? п и D? п, полагая составляющую погрешности, связанную с ползучестью, случайной. При этом необходимо обосновать принятое значение составляющей погрешности, связанной с ползучестью.

2.16. Исследуемая деформация?, как правило, отличается от измеренной деформации? u и на величину местных деформаций D?:

U + D?, (2.10)

где? u определяется в соответствии с п.п. 2.1, 2.7, 2.8.

2.17. Местные деформации D? обусловлены ужесточающим влиянием тензорезистора и его защитного устройства на деталь (D? ж), а также влиянием тензорезистора и его защитного устройства на температурное поле детали (D? t):

D? = D? ж + D? t . (2.11)

2.18. Величина D? ж зависит от соотношения жесткостей тензорезистора (с защитным устройством) и исследуемой детали и определяется в каждом конкретном случае путем моделирования (поляризационно-оптический метод, тензометрическая модель).

2.19. Местные деформации D? t зависят от конкретных условий измерений, конструкции защитного устройства и могут быть определены методом моделирования (стендовые испытания моделей) или расчетно-экспериментальным путем с использованием данных по температурным полям натурного объекта в зоне установки тензорезистора .

Приближенная оценка местных деформаций D? t может быть произведена по формуле:

D? t =С · aDt, (2.12)

где Dt - разность температур детали на базе тензорезистора (защитного устройства) и вне зоны его действия; a - коэффициент линейного расширения детали; С - эмпирический коэффициент.

3. ТРЕБОВАНИЯ К КВАЛИФИКАЦИИ ОПЕРАТОРОВ И БЕЗОПАСНОСТИ РАБОТ

3.1. К выполнению монтажа тензорезисторов и термопар могут быть допущены лица, имеющие профессии слесаря-механика 5-го разряда и сварщика 4-го разряда (аргоно-дуговая и контактная сварка) с практическим опытом работ, обученные и прошедшие специальную аттестацию.

3.2. К выполнению монтажа соединительных линий и подключению их к измерительной аппаратуре допускаются лица, имеющие профессию наладчика КИП 5-го разряда с практическим опытом работ.

3.3. К наладке системы тензометрии и обслуживанию информационно-измерительных систем могут допускаться лица, имеющие профессию инженера-электрика с соответствующей специализацией и с практическим опытом работы.

3.4. К обработке и анализу результатов измерений могут быть допущены лица, имеющие профессию инженера-механика с практическим опытом работы не менее пяти лет.

3.5. При выполнении монтажа тензорезисторов, термопар и соединительных линий на объекте должны быть соблюдены требования по технике безопасности для электромонтеров, обслуживающих оборудование, напряжением до 1000 В. ГОСТ 12.3.002-75.

3.6. Перед началом работ на натурном объекте работники, участвующие в монтаже и наладке тензометрической системы и в измерениях, должны пройти общий инструктаж по технике безопасности и первичный инструктаж на рабочем месте с записью в журнале.

3.7. Все лица, участвующие в монтаже тензорезисторов, термопар и соединительных линий, должны иметь удостоверение о проверке знаний ПТЭ и ПТБ с квалификацией не менее III группы.

3.8. При наладке тензометрической системы и проведении измерений должны быть соблюдены требования, обеспечивающие безопасность труда и производственную санитарию в соответствии с ГОСТ 1.26.77.

4. УСЛОВИЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

4.1. При выполнении измерений должны быть соблюдены следующие условия.

4.1.1. В местах установки тензорезисторов измеряемые деформации не должны превышать предельных значений, указанных в паспортах на тензорезистор и измерительную аппаратуру. В случай превышения предельных значений деформации результаты измерений по данным тензорезисторам исключаются из рассмотрения (или производится дополнительная проверка).

4.1.2. В измерительных точках температуры не должны превышать 450 °С при применении тензорезисторов типа НМТ и 200 °С при использовании тензорезисторов типа КФ. В первом случае допускается кратковременное повышение температуры до 465 °С, при этом необходим контроль возможных изменений температурных характеристик и величины дрейфа по показаниям тензорезисторов-«свидетелей».

4.1.3. Скорости изменения температуры поверхности металла в измерительных точках расположенных на внутренних поверхностях исследуемой конструкции, не должны превышать:

При применении защитных устройств типа «а» - «д» (см. п. 1.6) - 0,5 °С/с;

При применении защитных устройств типа «е» (см. п. 1.6) - 10 °С/с.

4.1.4. При применении защитных устройств типа «е» (см. п. 1.6) на внутренних поверхностях оборудования давление не должно превышать 30 МПа.

4.1.5. Длительность воздействия температур диапазона 350 ? 450 °С на тензорезисторы типа НМТ должна составлять не более 1500 часов.

4.1.6. При выполнении измерений следует учитывать, что выходной импеданс тензометрической линии может искажаться при попадании влаги во внутренний объем защитных устройств, что приводит к изменениям метрологических характеристик системы тензометрии. В случае применения герметичных тензометрических линий подобный эффект возникает при перераспределении влаги во внутреннем объеме линии (при переносе влаги из горячих зон, накапливании в более холодных зонах). В связи с этим в процессе измерения следует контролировать величину сопротивления изоляции тензометрических линий, которое должно составлять величину не менее 1 МОм.

4.2. В процессе измерений следует учитывать, что при действии перечисленных в п. 4.1 влияющих факторов могут изменяться метрологические характеристики системы тензометрии. При определении степени влияния указанных факторов, способов их контроля в процессе натурной тензометрии и методов внесения соответствующих поправок следует руководствоваться следующей таблицей 4.1.

Таблица 4.1

5. ПОДГОТОВКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ИЗМЕРЕНИЙ

5.1. На первом этапе подготовки к проведению измерений выполняются следующие работы:

Построение математической модели измерений деформаций (раздел 2);

Определение значений влияющих величин (раздел 4);

Анализ конструктивных особенностей натурного объекта;

Выбор средств измерений;

Выбор способа компенсации температурного приращения сопротивлений;

Выбор способа обработки и формы представления результатов измерений;

5.1.1. Выбранные средства измерений должны удовлетворять условиям

S ? ? S доп, (5.1)

где S ? - сумма частных погрешностей измерений, вносимых каждым элементом тензосистемы; S доп - допустимая погрешность измерений.

5.1.2. Выбранные привариваемые тензорезисторы должны удовлетворять условию

Da(t m - t 0) + ? max ?0,002, (5.2)

где Da - разность коэффициентов линейного расширения подложки тензорезистора и детали (компенсационной пластинки); t 0 и t m - начальная и максимальная рабочая температуры натурного объекта; ? max - предполагаемый уровень измеряемых деформаций.

5.1.3. Для компенсации температурного приращения сопротивления тензорезистора следует применять схемную компенсацию (рис. 5.1, а) с установкой компенсационного тензорезистора на натурном объекте рядом с рабочим на компенсационной пластинке; выполненной из материала той же марки (плавки), что и тензометрируемая деталь (рис. 5.2, а). Толщина компенсационной пластинки должна выбираться из условия обеспечения достаточной жесткости в случае различия коэффициентов линейного расширения подложки тензорезистора и пластинки. Допускается установка компенсационного тензорезистора по схеме рис. 5.2, б. При этом необходимо оценивать погрешность, вносимую в результат измерений данным способом установки. Применение схемной компенсации предполагает подбор тензорезисторов в пары (рабочий-компенсационный) по следующим параметрам:

Номинальное сопротивление;

Температурные характеристики;

Рис. 5.1. Способы температурной компенсации

а) схемная компенсация; б) компенсация с введением температурной поправки

1 - деталь; 2 - термопара; 3 - тензометрический прибор; 4 - компенсационная петля; 5 - термостат; 6 - термометрический прибор

5.1.4. Если схемная компенсация невозможна, допускается применение способа введения поправки на температурное приращение сопротивления тензорезистора (рис. 5.1, б). Поправка определяется по формуле

(5.3)

где? t - индивидуальная температурная характеристика «неприваренного» («неприклеенного») тензорезистора; D? t - разностная температурная характеристика; - поправка, учитывающая изменение? t при подрезке выводных проводников тензорезистора при его установке на натурном объекте.

При измерениях в нестационарных условиях необходимо вводить поправку на нестационарность в соответствии с п.п. 2.10 и 2.19.

5.2. На втором этапе производится разработка проекта тензометрии, включающего в себя разработку схемы размещения тензорезисторов и термопар, прокладку измерительных линий и привязку средств измерений (клеммники, коммутаторы, измерительные приборы и т.п.) к натурному объекту.

Способы установки компенсационного тензорезистора

а) на компенсационной пластинке; б) в «салазках»;

1 - компенсационная пластинка; 2 - скоба; 3 - салазки

5.2.1. Схема размещения тензорезисторов и термопар разрабатывается на основе предварительных лабораторных исследований на тензометрических и поляризационно-оптических моделях, анализа имеющихся расчетных данных, а также исходя из опыта эксплуатации исследуемого и подобных типов натурных объектов. Схема размещения должна учитывать конструктивные особенности натурного объекта и средств измерений (например, защитных устройств).

5.2.2. Трассировка измерительных линий должна быть выполнена с учетом имеющихся на станциях источников электромагнитных полей (генераторы, электродвигатели, силовые кабели, мощные сварочные аппараты и т.п.).

5.2.3. При разработке схемы размещения средств измерений на натурном объекте следует предусмотреть заземление измерительных цепей, обеспечивающее максимальное подавление помех.

5.3. На третьем этапе производится непосредственная подготовка средств измерений к эксперименту и монтаж тензоизмерительной системы на натурном объекте. Для проведения натурной тензометрии целесообразно иметь заранее подготовленный передвижной измерительно-вычислительный комплекс (информационно-измерительную систему). В конце третьего этапа подготовки к проведению измерений необходимо провести апробацию линий тензометрической системы имитатором сигнала тензорезистора на вход усилителя.

5.3.1. Подготовка тензорезисторов включает в себя следующие операции:

Измерение сопротивления тензорезистора;

Измерение сопротивления изоляции;

Подбор в пары (схемная компенсация) по номинальным сопротивлениям, температурным характеристикам, дрейфу;

Обрезку полей подложки (при необходимости) до нужных размеров (но не менее трехкратного диаметра сварной точки) и подрезку выводных проводников;

Зачистку полей подложки и обезжиривание.

5.3.2. Подготовка соединительных линий (участка «горячей» зоны) включает в себя жгутование жаростойких проводов и прокладывание их в защитные трубки. Провода рабочего и компенсационного тензорезисторов каждого полумоста должны быть свиты между собой. Нельзя провода рабочего и компенсационного тензорезисторов одного полумоста размещать в разных защитных трубках.

Если в качестве электроизоляции применяется стеклочулок, его нужно предварительно прокалить для удаления парафина.

5.3.3. Защитные устройства тензоизмерительной системы изготавливаются с учетом конструктивных особенностей и условий эксплуатации натурного объекта. Если защитные устройства выполняются по типу рис. 1.1, е (гермотензодатчики), то их следует испытать на стенде с имитацией натурных условий измерений.

5.3.4. Если защитные устройства выполняются непосредственно на подложке тензорезистора по типу рис. 1.1, е (гермотензодатчик), необходимо повторное определение метрологических характеристик, так как в этом случае, в отличие от обычных (исходных) тензорезисторов, гермотензодатчик представляет собой систему, включающую в себя собственно гензорезистор, термопару, измерительные провода, защитные устройства и т.д.

5.3.5. Измерительные провода должны пройти профилактический осмотр; кабели следует проверить на целостность. Сопротивление измерительных линий и датчиков (тензорезисторов или термопар) должно соответствовать техническим требованиям измерительных приборов.

5.3.6. Перед установкой тензорезисторов поверхность натурного объекта в измерительных точках должна быть очищена от ржавчины, окалины и т.п. и обезжирена. Поверхность обрабатывают войлочными и вулканитовыми кругами с мелким абразивом. В качестве растворителей применяют ацетон, бензин и т.п. Качество очистки оценивается по внешнему виду (металлический зеркальный блеск).

5.3.7. Режим приварки тензорезисторов к детали выбирается по таблицам ориентировочных режимов, номограммам или производят опытные работы. Основными параметрами при этом являются, сила тока I a , длительность импульса?, диаметр сварной точки d, усилие сжатия Р с и шаг сварки h.

Следует учитывать, что режим сварки меняется при колебаниях напряжений сети, смятии и износе электродов и т.п. Поэтому параметры режима требуют стабилизации и регулирования процесса приварки тензорезисторов. Электрод необходимо периодически зачищать, сохраняя его первоначальную форму.

Качество соединений оценивается испытаниями на срез и отрыв с анализом макро- и микроструктуры соединения. Усилия сжатия при регулировании режима менять не рекомендуется; его определяют и выставляют на сварочном «пистолете» заранее при отработке режима.

Непосредственно перед установкой тензорезисторов следует произвести технологическую пробу: имитатор подложки тензорезистора приваривают к поверхности тензометрируемой детали и затем его отрывают. При хорошем качестве сварки в имитаторе образуются отверстия в точках сварки (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Технологическая проба

Рис. 5.4. Система защиты тензосхемы

1 - тензорезистор; 2 - защитное устройство; 3 - соединительные провода; 4 - защитная трубка; 5 - скобка; 6 - фильеры; 7 - припой ПСр; 8 - шайба; 9 - заглушка; 10 - концевик; 11 - эпоксидная смола; 12 - защитная хлорвиниловая трубка; 13 - переходник; 14 - аргонодуговая сварка

5.3.8. Соединение выводных проводников с проводами следует производить с помощью аргонодуговой сварки. Если при этом необходимо подрезать выводы тензорезисторов, должно выполняться условие равенства длин выводных проводников рабочего и компенсационного тензорезисторов.

5.3.9. Тензорезисторы-«свидетели» (см. п. 2.6) устанавливаются на натурном объекте на образцах, выполненных из материала той же марки (плавки), что и тензометрируемая деталь.

5.3.10. Защитную систему тензоизмерительной схемы следует выполнять герметичной (рис. 5.4). Перед герметизацией систему необходимо продуть сухим инертным газом (аргон, гелий). Система должна быть оснащена устройством, позволяющим производить ее периодическую продувку в процессе эксперимента (в случае разгерметизации и попадания влаги в тензоизмерительную систему).

5.3.11. Для вывода измерительных линий с внутренних поверхностей корпусных деталей, работающих под давлением, следует применять узлы (гермовыводы) по схеме рис. 5.5.

Рис. 5.5. Варианты герметичных выводных узлов

1 - стенка корпуса; 2 - фильера; 3 - припой; 4 - нажимная шайба; 5 - заглушка; 6 - электродуговая сварка; 7 - трубка зажимная; 8 - изоляция; 9 - труба; 10 - диск; 11 - штуцер; 12 - гайка накидная; 13 - втулка; 14 - шайба; 15 - переходник; 16 - сальник; 17 - шайба коническая; 18 - аргонодуговая сварка

6. ВЫПОЛНЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ

6.1. При выполнении измерений должны применяться следующие операции:

Оснащение приборов необходимым количеством диаграммной бумаги или перфоленты;

Маркирование на каждом приборе диаграммной бумаги или перфоленты. (Указывается: номер измерительного прибора, дата, время, название режима и т.п.);

Включение и прогрев приборов;

Установка скорости протяжки диаграммной бумаги, интервал опросов и количество циклов в одном опросе в зависимости от режима;

Пуск измерительных приборов, запись «нулевых» состояний;

Наблюдение за исправностью работы приборов;

Поддерживание постоянной связи (телефонной или громкоговорящей) с эксплуатационным персоналом энергетического объекта;

Занесение в журнал информации о ходе выполнения режима, об изменениях в измерительной схеме;

В случае необходимости, выполнение «экспресс»-обработки по реперным измерительным точкам и передача соответствующих данных о параметрах или температурах эксплуатационному персоналу энергетического объекта. Под реперными измерительными точками следует понимать такие измерительные точки, которые несут основную информацию о напряженном состоянии энергетического объекта;

Повторная запись «нулевых» состояний после проведения режима и выключение приборов.

6.2. Контроль за нормальной работой измерительной аппаратуры производится в соответствии с техническими требованиями конкретного прибора. Например, контроль исправности тензометрического прибора ТК-80 производится путем периодического опроса четырех контрольных каналов, к которым подсоединены термостатированные сопротивления по схеме полумоста и сбалансированы при двух положительных и двух отрицательных значениях выходного сигнала, близких к нулю и к максимальному значению (например, +50; +8500 и -50; -8500).

6.3. Состояние тензорезисторов и термопар при грузовом отсчете (при проведении режима) контролируется по заранее выбранным критериям:

Для тензорезисторов

где х - отсчет по прибору; ? доп - предполагаемый уровень измеряемых деформаций; К - чувствительность; М - номинальная цена единицы наименьшего разряда прибора;

Для термопар t ? t maх ,

где t maх - максимальная рабочая температура натурного объекта.

6.4. При контроле состояния измерительной схемы периодически производится измерение сопротивления изоляции линий.

7. ОБРАБОТКА И ОФОРМЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

7.1. В общем случае обработка результатов измерений состоит из трех этапов: первичной, промежуточной и окончательной обработки.

7.2. Целью первичной обработки результатов измерений является извлечение из выходного сигнала тензорезистора информативной составляющей, перевод показаний измерительных приборов в значение соответствующих измеряемых деформаций и определение напряжений в измерительных точках исследуемой конструкции.

7.3. Если измерения деформаций производятся с помощью аналоговых приборов (самописцев и осциллографов), то первичная обработка результатов включает в себя:

а) синхронизацию кривых на диаграммных лентах и осциллограммах;

б) «привязку» кривых к номерам измерительных точек, тензорезисторов и термопар;

в) выбор начальных состояний, относительно которых следует обрабатывать текущие значения показаний приборов;

г) кодировку первичной информации на перфоленту, магнитную ленту, магнитный диск;

д) машинную обработку подготовленной информации по соответствующим программам с выдачей первичных данных (максимальные величины напряжений, температуры в измерительных точках, основные параметры натурного объекта и т.п.).

7.4. Если измерения деформаций производятся цифровыми приборами с непосредственной передачей информации в ЭВМ или выводом ее на промежуточный накопитель (перфолента, магнитная лента и т.п.), то первичная обработка выполняется автоматически по соответствующим программам. Применение цифровых приборов типа ТК в комплексе с ЭВМ позволяет получать результаты в ходе эксперимента, оперативно оценивать текущее состояние натурного объекта и влиять на ход эксперимента.

7.5. Программы для машинной обработки результатов намерений должны учитывать особенности конкретного натурного эксперимента /14/. Вместе с тем их следует составлять в соответствии с общим алгоритмом обработки результатов натурных тензометрических исследований энергетического оборудования, содержащего следующие основные положения.

7.5.1. Анализ состояния измерительных и регистрирующих приборов по результатам нескольких наблюдений и исключение показаний приборов с грубыми погрешностями. Для повышения достоверности измерений при каждом текущем состоянии натурного объекта следует многократный опрос тензорезисторов и термопар не менее 3-х раз.

7.5.2. Анализ состояния тензорезисторов и термопар с привлечением соответствующих критериев и исключение результатов, содержащих грубые погрешности.

7.5.3. Определение температур в измерительных точках и вычисление разностей температур рабочих и компенсационных тензорезисторов (если применяется схемная компенсация температурного сопротивления). Если для измерения температур используют цифровые вольтметры (типа Щ 68003 и др.), то температуры следует представлять аналитическими зависимостями в функции отсчетов приборов в виде полиномов.

7.5.4. Обработка показаний тензорезисторов-«свидетелей» и определение неинформативной составляющей выходного сигнала тензорезистора и ее среднеквадратичной погрешности.

Следует иметь в виду, что тензорезисторы-«свидетели» не учитывают погрешностей, обусловленных нестационарностью тепловых процессов и ползучестью рабочих тензорезисторов.

7.5.5. Представление функции влияния температуры на чувствительность тензорезистора аналитической зависимостью в функции температуры в виде полинома n -ой степени.

7.5.6. Определение деформаций по показаниям тензорезисторов с использованием зависимостей (2.1) ? (2.3), (2.10).

7.5.7. Определение главных деформаций в измерительных точках с использованием формул для трехкомпонентных розеток. В случае применения прямоугольной розетки (0, 45, 90) главные деформации определяются по формуле

7.5.8. Представление модуля упругости Е аналитической зависимостью в функции температуры в виде полинома n -ой степени. (По данным расчета на прочность элементов сосудов и трубопроводов, а также РТМ других ведомств). Коэффициент Пуассона допускается задавать постоянным числом для всего диапазона рабочих температур.

7.5.9. Определение погрешности измерений деформаций по формуле 2.9.

7.5.10. Определение главных напряжений по формуле

(7.2)

7.5.11. Оценка погрешности определения напряжений по формуле

где - погрешности определения главных деформаций? 1 и? 2 , S E и S ? - погрешности определения модуля упругости и коэффициента Пуассона.

7.5.12. Вывод результатов вычислений на печать.

7.6. На промежуточном этапе обработки результатов измерений производится окончательная оценка погрешности натурного эксперимента с проведением дополнительных лабораторных и стендовых исследований для уточнения составляющих погрешности эксперимента, которые не могли быть определены при планировании эксперимента и в процессе натурных измерений.

7.6.1. Действительная ползучесть тензорезистора определяется на специальном оборудовании по данным натурных исследований с учетом реальной погруженности натурного объекта в соответствии с п. 2.7.

7.6.2. Погрешности, обусловленные нестационарностью теплообмена в натурном объекте D? t и?? t , выявляются в соответствии с п.п. 2.10 и 2.19.

Если погрешностью?? t допустимо пренебречь (наличие автономного защитного устройства розетки тензорезисторов), целесообразно применять расчетно-экспериментальный метод оценки погрешности, связанной с местными деформациями D? t . В случае применения защитного устройства тензорезистора цилиндрической формы, стенку корпуса (или другой детали) можно рассматривать как пластинку с осесимметричным распределением температур относительно оси защитного устройства или как полупространство, подверженное локальному осесимметричному тепловому воздействию. В этом случае задача сводится к решению уравнений Пуассона при найденных экспериментально температурах в узлах сетки, на которую разбивается исследуемая область, и заданных граничных условиях /14/.

Если в выходном сигнале тензорезистора присутствуют обе составляющие погрешности КD? t и?? t , связанные с нестационарностью, их следует определять моделированием, на стендах, имитирующих тепловые процессы, протекающие в тензометрируемых конструкциях. Это объясняется тем, что даже при достаточно точном измерении температуры решетки рабочего тензорезистора в натурных условиях расчетное определением?? t затруднительно из-за неопределенности текущих значений b и a.

7.7. Окончательная обработка результатов измерений предполагает анализ обработанных ранее данных, получение зависимостей и выявленных закономерностей. На этом этапе устанавливается связь между полученными величинами напряжений и конструктивными особенностями натурного объекта, напряженным состоянием конструкции и эксплуатационными режимами, максимальными величинами напряжений и характерными разностями температур объекта. Подготавливается материал для оценки прочности натурного объекта с учетом реальной нагруженности (по данным тензометрии) и остаточного ресурса (формируются циклы, определяются размахи деформаций и напряжений, оценивается нагруженность стационарного режима в цикле пуск-останов оборудования и т.д.).

7.8. В зависимости от поставленной задачи результаты измерений могут быть представлены в виде графиков или кривых, математических формул или номограмм, таблиц, статистических данных или словесных описаний.

7.9. Если измерения являются составной частью научно-исследовательских работ, результаты измерений должны оформляться в соответствии с общими требованиями и правилами оформления отчетов о научно-исследовательских работах (ГОСТ 7.32-81).

7.10. В соответствии с ГОСТ 8.011-72 при выражении точности измерений интервалом, в котором с определенной вероятностью находится суммарная погрешность измерений, устанавливается следующая форма представления результатов измерений

А; ? от? н до D в; Р,

где А - результат измерения в единицах измеряемой величины; D, D н и D в - соответственно погрешность измерения с нижней и верхней ее границами в тех же единицах; Р - установленная вероятность, с которой погрешность измерения находится в этих границах.

7.11. Результаты измерений на распечатках ЭВМ при первичной обработке должны содержать следующие данные:

Дату и время проведения режима;

Название и номер режима;

Номера неисправных тензорезисторов и термопар;

Номера измерительных точек;

Показания термопар, соответствующих рабочим и (при необходимости) компенсационным тензорезисторам;

Измеренные значения деформаций;

Значения главных напряжений в измерительных точках;

Показания установленных на конструкции «свободных» термопар (если они предусмотрены в измерительной схеме).

Режим № __________ Название режима ____________

Дата ______________ Время ______________________

Параметры установки (МПа)

Неисправные термопар:

Неисправные тензорезисторы:

7.12. Если дальнейшей обработки результатов измерений не требуется, выдача документа о результатах измерений может быть произведена в форме п. 7.11 с приведением дополнительных данных о примененных средствах измерений, измерительных системах и т.п.

Документ должен быть удостоверен лицом, проводившим измерения.

Приложение

Основные технические характеристики тензометрических приборов и систем, применяемых для измерения статических и квазистатических деформаций

Литература

1. Методические указания РД 50.338-82. Расчеты и испытания на прочность Порядок разработки межотраслевых методических указаний на методы расчета и испытаний. - М.: Изд-во стандартов, 1982.

2. ГОСТ 8.467-82. Нормативно-технические документы на методики выполнения измерений. Требования к построению, содержанию и изложению. - М.: Изд-во стандартов, 1982.

3. Основополагающие стандарты в области метрологического обеспечения. - М.: Изд-во стандартов, 1986.

4. ГОСТ 20420-75. Тензорезисторы. Термины и определения.

5. ГОСТ 21616-76. Тензорезисторы. Общие технические условия.

6. ГоСТ 21615-76. Тензорезисторы. методы определения характеристик.

7. Нормирование и использование метрологических характеристик средств измерений. Нормативно-технические документы. (ГОСТ 8.009-84; РД 50-453-84; Методический материал по применению ГОСТ 8.009-84). - М.: Изд-во стандартов, 1985.

8. ГОСТ 8.042-72. Требования к построению, содержанию и изложению стандартов методов и средств поверки мер и измерительных приборов.

9. Методические указания. МИ 1317-86. Государственная система обеспечения единства измерений. Результаты и характеристики. Погрешности измерений. Формы представления. Способы использования при испытаниях образцов продукции и контроле их параметров. - М.: Изд-во стандартов, 1986.

10. Методические указания РД 50-474-84. Методика выполнения измерений с применением информационно-измерительных систем. Порядок разработки и формы регистрации. Общие требования. - М.: Изд-во стандартов, 1985.

11. ГОСТ 8.002-71. Организация и порядок проведения проверки, ревизии и Экспертизы средств измерений.

12. ГОСТ 11.002-73. Правила оценки анормальности результатов наблюдений.

13. Методические указания мИ 1347-86. Методика определения погрешности измерений деформаций проволочными и фольговыми тензорезисторами. - М.: ВНИИМСО, 1986.

15. Экспериментальные исследования и расчеты напряжений в конструкциях. - М.: Наука, 1975.

16. Методы исследования напряжений. - м.: Наука, 1976.

17. Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений в конструкциях. - М.: Наука, 1977.

18. Исследования напряжений в конструкциях. - М.: Наука, 1980.

19. Методы исследования напряжений в конструкциях энергетического оборудования. - М.: Наука, 1983.

20. Н.И. Пригоровский. Методы и средства определения полей деформаций и напряжений. - М.: Машиностроение, 1983.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ

РАЗРАБОТАНЫ Институтом машиноведения им. А.А. Благонравова АН СССР

ИСПОЛНИТЕЛИ: д.т.н. Хуршудов Г.Х. (руководитель), к.т.н. В.С. Сенин, к.т.н. Ю.К. михалев, к.т.н. А.И. Сергеев, науч. сотр. С.В. Маслов

ОДОБРЕНЫ научно-методической комиссией по стандартизации секции «Расчеты и испытания на прочность» НТС Госстандарта СССР

Изобретение относится к области неразрушающего контроля физических характеристик материалов. Способ заключается в измерении параметров магнитных полей на поверхности исследуемого объекта и определении зоны скопления дислокаций, соответствующих аномальным зонам внутренних напряжений. Измеряют абсолютную величину максимума нормальной составляющей напряженности магнитного поля, дополнительно измеряют магнитную проницаемость материала в зоне максимума напряженности и вычисляют величину внутренних напряжений, по которой судят о напряженно-деформированном состоянии исследуемого материала. Дополнительно можно определить направление максимума тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля, измерить ее абсолютную величину и вычислить вектор максимума внутренних напряжений. Дополнительно можно одним из известных способов измерить расстояние от поверхности исследуемого объекта до зоны аномальных внутренних напряжений, вычислить величину энергии, накопленной в этой зоне, по которой можно судить о степени активности зарождения и роста трещин. Изобретение дает возможность получать количественные характеристики внутренних напряжений. 4 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля физических характеристик конструкционных, преимущественно ферромагнитных, материалов магнитными методами и может быть использовано для измерения характеристик напряженно-деформированного состояния материалов и сварных соединений в деталях различных конструкций ответственного назначения, например, в сварных и клепаных фермах, в стенках трубопроводов, сосудах высокого давления и других объектах энергетической, химической, машиностроительной отраслей промышленности и различных видов транспорта, испытывающих значительные нагрузки в процессе эксплуатации. Современная диагностика имеет большой арсенал разновидностей средств и методов измерения механических характеристик материалов, причем основное место в этом арсенале занимают методы и средства измерения остаточных и рабочих внутренних напряжений. Все известные магнитные методы диагностики конструкционных материалов можно разделить на две группы: активные - с созданием в материале исследуемой детали "принудительного" магнитного поля заданной ориентации и пассивные - использующие остаточную намагниченность изделия, вызванную внешними магнитными полями естественного или искусственного происхождения . Недостатки известных активных магнитных методов диагностики состояния конструкционных материалов заложены в самой физической сути этих методов и выражаются в полной нечувствительности к аномалиям материала, расположенным в глубине детали, а также к аномалиям (даже трещинам), расположенным на поверхности детали, но ориентированным вдоль силовых линий магнитного поля. Известные пассивные магнитные методы определения напряженно-деформированного состояния ферромагнитных конструкционных материалов представляют более тонкий инструмент, поскольку позволяют качественно отслеживать изменение остаточных напряжений под действием внешних сил. Недостатками пассивных магнитных методов являются низкая чувствительность к аномалиям, расположенным в глубине материала, и неоднозначность результатов определения напряженно-деформированного состояния. Эти методы основаны на зависимости магнитных характеристик материала от его структуры или фазового состояния, которые определяются технологической или эксплуатационной предысторией материала и начинают заметно изменяться только при больших значениях пластических деформаций, соответствующих околопредельным уровням механических напряжений. Более того, известные в настоящее время средства диагностики измеряют лишь некие параметры используемых физических полей, связанные в общем случае не с механическими напряжениями в чистом виде, а с совокупностью характеристик напряженно-деформированного состояния материала, причем связанные недостаточно изученными и не всегда монотонными и однозначными зависимостями. А это значит, что измеренные параметры не могут достоверно характеризовать состояние материала. Наиболее близким является способ определения зон остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитного материала, заключающийся в том, что измеряют нормальную и тангенциальную составляющие напряженности магнитного поля рассеяния в каждой из заданного множества точек на поверхности исследуемого объекта, сравнивают измеренные значения составляющих напряженности магнитного поля и по точкам, в которых нормальная и тангенциальная составляющие напряженности равны, определяют границы зоны остаточных напряжений . Недостатком этого способа определения зон остаточных напряжений является большая погрешность, обусловленная значительной размытостью границ равенства нормальной и тангенциальной составляющих напряженности магнитного поля вследствие сильной зависимости величины тангенциальной составляющей от расстояния до поверхности исследуемого объекта и направления ее измерения. Однако главным недостатком этого и всех других известных способов определения характеристик напряженно-деформированного состояния материала деталей конструкций является невозможность получения абсолютных значений исследуемых характеристик, показывающих количественную степень близости фактически существующего в материале конструкции напряженно-деформированного состояния к критическому. Кроме того, необходимо заметить, что в большинстве случаев термин "остаточные напряжения" применяется некорректно, поскольку в любой эксплуатируемой конструкции остаточные напряжения действуют в совокупности с рабочими нагрузочными напряжениями и напряжениями, возникающими в процессе старения и деградации материала, поэтому следует говорить о "внутренних напряжениях". Задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются получение количественных характеристик напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов (преимущественно ферромагнитных металлов) при одновременном повышении чувствительности, точности и достоверности результатов за счет использования собственных магнитных полей, создаваемых микродефектами структуры - дислокациями и их скоплениями. Разработанный способ обеспечивает:

Получение количественных характеристик внутренних напряжений;

Получение количественной информации о степени опасности или активности зарождающихся и развивающихся трещин;

Реконструкцию скалярных и векторных полей распределения внутренних напряжений;

Возможность прогнозирования динамики изменения напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов в реальных условиях эксплуатации. Решение поставленных задач достигается тем, что в способе определения характеристик напряженно-деформированного состояния материалов деталей и конструкций, заключающемся в измерении параметров магнитных полей на поверхности исследуемого объекта, по изменению которых определяют зоны скопления дислокаций, соответствующие аномальным зонам внутренних напряжений, измеряют абсолютную величину максимума нормальной составляющей напряженности магнитного поля, дополнительно измеряют магнитную проницаемость материала в зоне максимума напряженности, вычисляют величину внутренних напряжений, по которой судят о напряженно-деформированном состоянии исследуемого материала. Кроме того, дополнительно определяют направление максимума тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля, измеряют ее абсолютную величину и вычисляют вектор максимума внутренних напряжений. Кроме того, дополнительно одним из известных способов измеряют расстояние от поверхности исследуемого объекта до зоны аномальных внутренних напряжений, вычисляют величину накопленной в этой зоне энергии, по которой судят о степени активности зарождения и роста трещины. Кроме того, измерения проводят по всей поверхности исследуемого объекта, выполняют необходимые вычисления и строят скалярные или векторные поля распределения внутренних напряжений. И, наконец, измерения проводят повторно, через определенный период эксплуатации исследуемого объекта, сравнивают поля распределения внутренних напряжений и по разности значений напряжений оценивают скорость деградации материала, а по характеру изменения полей определяют зону и направление возможного разрушения. Сущность предлагаемого способа заключается в использовании малоизвестных и неизученных в аспекте практического применения свойствах дефектов кристаллической структуры металлов - дислокаций. Дислокация как реально существующий объект обладает вполне реальными физическими свойствами, обусловленными несбалансированностью электромагнитных полей, вызванной локальным разрушением элементов кристаллической атомной решетки . В случае ферромагнитного материала, элемент решетки представляет собой куб с атомами в его углах, а вся решетка - строгую пространственную структуру. Разрушение такого порядка проявляется как появление полуплоскости, являющейся своеобразным клином, на границах которого оказываются "оторванные" электрические заряды и спиновые моменты. Наличие избыточного количества свободных электронов по обе стороны границ позволяет компенсировать несбалансированность электрических зарядов, однако, "новые" электроны не в состоянии компенсировать разность спиновых моментов, что приводит к появлению элементарного магнитного момента - источника собственного магнитного поля дислокации. Поскольку в материале, даже в ненапряженном состоянии, существует значительное количество дислокаций, то материал представляет собой совокупность произвольно ориентированных "магнитиков", создающих собственное интегральное магнитное поле материала. В идеальном - однородном изотропном материале напряженность магнитного поля, создаваемого магнитными моментами дислокаций, будет равно нулю. Но любая неоднородность материала, свойственная всем реальным материалам, вызывает перемещения и группирование дислокаций , что приводит к появлению скоплений дислокаций, которые имеют существенно большие магнитные моменты. Это и является причиной неравномерности напряженности магнитного поля. Поскольку магнитное сопротивление ферромагнитных материалов мало, то магнитные потоки, создаваемые скоплениями дислокаций, векторно суммируясь, будут распространяться во всем объеме исследуемого материала с минимальными потерями, что дает возможность регистрировать скопления дислокаций, находящихся не только на поверхности исследуемой детали, но и в толще материала, и даже на противоположной стороне детали. Этим объясняется высокая чувствительность нового способа. Таким образом, принципиальное отличие предлагаемого способа от известных магнитных способов заключается в том, что измеряются параметры собственных магнитных полей дислокаций и их скоплений, тогда как все известные магнитные методы измеряют поля рассеяния, т.е. отклонения искусственно созданных магнитных полей, вызванные неоднородностями исследуемого материала. При этом искусственно создаваемые поля, обладая гораздо большей энергией, чем собственные поля скоплений дислокаций, практически полностью подавляют последние. Следует отметить, что предлагаемый способ принципиально может быть применен и для диагностики диамагнитных материалов. Однако здесь имеются серьезные осложнения технического характера, связанные с большим магнитным сопротивлением этих материалов и приводящие к необходимости обеспечения высокой чувствительности приемного тракта и глубокой компенсации внешних магнитных полей. В случае парамагнитных материалов применение предлагаемого способа невозможно вследствие того, что элементом их кристаллической структуры является гране- или объемноцентрированный куб, разрушение которого не приводит к разбалансу магнитных моментов . Реализуют способ следующим образом. Перемещая датчик напряженности магнитного поля по поверхности исследуемого объекта, по показания прибора находят глобальный или локальный максимум и измеряют значение нормальной составляющей напряженности - H z , затем одним из известных способов измеряют абсолютную магнитную проницаемость a материала в зоне максимума. Если применяемый прибор измеряет относительную магнитную проницаемость , то абсолютную вычисляют по формуле:

Где 0 - абсолютная магнитная проницаемость вакуума. Поскольку дислокация или их скопление является магнитным диполем, то сила, действующая на концы диполя - границы дефекта элемента кристаллической структуры - края будущей трещины, определяется следующей формулой:

F z = B z H z S д, (2)

Где B z - проекция магнитной индукции на нормаль к поверхности изделия в зоне максимума напряженности, причем:

B z = a H z ; (3)

Здесь S д - площадь поверхности, пронизываемая магнитным потоком. Но поскольку эта поверхность является поверхностью, на которую действует сила магнитного поля, то можно определить величину проекции напряжения, действующего в зоне дислокации или их скопления:

Z = F z:S д = a (H z) 2 . (4)

Таким образом получается количественная оценка величины внутренних напряжений, действующих в зоне зарождающегося или растущего дефекта. В таком варианте способ целесообразно применять при определении напряженно-деформированного состояния материала тонких изделий, испытывающих одноосные нагружения. Проводя аналогичные операции в точках, определяемых заданной или выбранной координатной сеткой, можно построить скалярное поле распределения внутренних напряжений. Для получения более полной характеристики напряженно-деформированного состояния материала объемных изделий или в случае сложного нагружения необходимо дополнительно измерять тангенциальную составляющую напряженности магнитного поля в тех же точках, где измерялась нормальная составляющая. Для этого необходимо, поворачивая датчик напряженности, найти максимальное значение тангенциальной составляющей - H , измерить ее величину и угол - между направлением максимума тангенциальной составляющей и одной из осей используемой системы координат. При этом вектор напряженности магнитного поля определяется модулем - |H| и направляющими углами - и . Для вычисления модуля - |H| и угла в плоскости, нормальной к поверхности обследуемого объекта, - используют следующие формулы:

|H| = [(H z) 2 +(H ) 2 ] 0,5 (5)

Arctg(H z:H ). (6)

Затем, проведя вычисления, аналогичные приведенным выше, можно получить полные характеристики вектора внутреннего напряжения в отдельной точке (локальной зоне) и построить векторные поля распределения внутренних напряжений в исследуемом изделии. Кроме того, если измерить каким-либо подходящим из известных методов (например, ультразвуковым) расстояние до аномальной зоны L и ее толщину L, a по координатам этой зоны на карте распределения полей напряжений вычислить площадь зоны S 3 , то можно рассчитать W 3 - величину энергии, запасенной в скоплении дислокаций и определяющей активность зарождения или роста трещины:

Следует отметить, что приведенные формулы показывают методику расчета параметров характеристик напряженно-деформированного состояния материала и могут служить для приближенных расчетов в объектах простой формы. При исследовании реальных объектов, а также для получения более точных результатов необходимо учитывать геометрию объекта и зоны, что отразится на формулах введением функций, описывающих геометрию и характер распределения напряженности магнитного поля и переходом к интегрированию по поверхности для внутренних напряжений и по объему для энергии. При этом для однотипных объектов могут быть разработаны специальные программы. Источники информации, принятые во внимание

1. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник, Т. 2, -М,: Машиностроение, 1986 г. 2. Неразрушающий контроль. , Кн. 3., Электромагнитный контроль, -М.: Высшая школа, 1992 г. 3. Патент РФ, М. кл. G 01 L 1/12, N 1727004, 1990 г. 4. Ч. Киттель, Элементарная физика твердого тела, -М.: Наука, 1969 г. 5. Фридман Я. Б., Механические свойства металлов, Ч. 1., Деформация и разрушение, Изд. "Машиностроение", Москва, 1974 г.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ