СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ Российский патент 2012 года по МПК G01N29/14 

Изобретение относится к акустическим методам неразрушающего контроля прочности и предназначено для диагностики состояния металлоконструкций подъемно-транспортных машин. Изобретение может применяться в машиностроении, строительстве.

Известен способ неразрушающей оценки прочности композитных материалов и изделий из них [Носов В.В., Носов С.В. Акустико-эмиссионный критерий прочности композитных материалов. // Известия ВУЗов. Машиностроение. - 1989. - №9, с.25-29]. Способ включает равномерное нагружение диагностируемого изделия, регистрацию при этом числа N_∑ импульсов акустической эмиссии (АЭ) и прекращение нагружения в момент выхода временной зависимости натурального логарифма InN_∑ числа импульсов АЭ на прямолинейный участок, определение углового коэффициента InN_∑=dlnN_∑/dt (тангенса угла наклона) этого участка и расчет по его значению разрушающей нагрузки на изделие. Недостатком способа является невысокая точность акустико-эмиссионного контроля изделия из-за применения расчетов параметров.

Известен способ неразрушающей оценки прочности корпусов двигателей, выполненных из композитных материалов [Носов В.В., Потапов А.И. Оценка прочности корпусных изделий при их гидроиспытаниях по результатам регистрации сигналов акустической эмиссии. // Дефектоскопия. - 1998, №5, с.99-107]. Способ включает ступенчатое гидронагружение корпуса путем непрерывного подъема давления в корпусе до уровня F₁, выдержка в течение времени t₁, подъем давления до второго уровня F₂, выдержка в течение времени t₂ и так далее до заданного максимального уровня давления. В ходе испытаний проводят регистрацию числа N_∑ импульсов АЭ. По результатам АЭ испытаний строят графики временных зависимостей числа импульсов АЭ при различных уровнях давления, в которых выделяют участки, близкие к прямолинейным, определяют угловые коэффициенты и этих участков. Определяют параметр состояния материала диагностируемого изделия Y_AE. Значение разрушающей нагрузки F_p сравнивают с рабочей нагрузкой на диагностируемое изделие. На основе этого сравнения делают вывод о состоянии диагностируемого изделия. К недостаткам способа можно отнести отсутствие учета нестабильности распределения амплитуд импульсов АЭ, получаемых в ходе испытаний изделия, отсутствие четкой классификации степени опасности выявленных в ходе контроля источников импульсов АЭ, что может привести к недооценке опасности дефекта изделия, которая может способствовать преждевременному выходу из строя изделия.

Наиболее близким, выбранным за прототип, является «Способ неразрушающего контроля прочности изделий» [патент РФ №2270444]. В способе равномерно или ступенчато равномерно нагружают изделие и регистрируют число импульсов акустической эмиссии и их амплитуды в процессе нагружения, определяют суммарную амплитуду ^ζ, импульсов АЭ, находят отношение логарифмов суммарных амплитуд в заданные моменты времени t_i, t_j, определяют закон распределения числа импульсов АЭ по амплитудам с одновременным определением номинальных напряжений σ_i, σ_j в контролируемой зоне изделия в моменты времени t_i, t_j соответственно, по результатам испытаний определяют параметр состояния материала контролируемого изделия Y_AE по формуле:

Y_AE=[ln(ζ_j/ζ_i)+ln(k_AEi/k_AEj)]/[σ_j-σ_i],

и рассчитывают величину диагностического параметра Y_R по формуле:

Y_R=M/σ_В,

где σ_i, σ_j - напряжения, действующие в контролируемой зоне изделия в i и j моменты времени соответственно;

ζ_i, ζ_j - значения суммарной амплитуды при напряжениях σ_i и σ_j соответственно;

k_AEi, k_AEj - акустико-эмиссионные коэффициенты при напряжениях σ_i и σ_j соответственно, их отношение определяют в зависимости от выбранного закона распределения амплитуд импульсов АЭ;

σ_В - предел прочности (временное сопротивление) материала контролируемого изделия (справочное);

М - константа материала конструкции и условий ее нагружения, определяют по справочным данным или результатам разрушающих АЭ-испытаний эталонных (бездефектных) образцов,

затем величину Y_AE сравнивают с величиной Y_R и определяют степень опасности источника импульсов акустической эмиссии, при Y_AE≥Y_R источник импульсов считают опасным.

К недостаткам способа можно отнести неопределенность значений напряжений в контролируемой зоне в случае сложного напряженного состояния металлоконструкций, и как следствие, невысокую точность акустико-эмиссионного контроля изделия.

Задачей изобретения является повышение точности акустико-эмиссионного контроля сложных металлоконструкций, в частности металлоконструкций подъемно-транспортных машин, выявление развивающихся и склонных к развитию дефектов, проявляющихся в процессе изменения нагрузки, определение пригодности металлоконструкции к дальнейшему использованию или необходимости проведения ремонта или замены данной металлоконструкции.

Предложен способ неразрушающего контроля прочности металлоконструкции, в процессе которого металлоконструкцию нагружают как минимум два раза, повышая нагрузки при соблюдении условия P_i≥Q, где Q - номинальная допускаемая нагрузка металлоконструкции. После каждого нагружения поднимают испытательный груз с помощью металлоконструкции на 100-200 мм от земли и удерживают его ≥10 мин, для регистрации сигналов АЭ, информативных относительно состояния материала контролируемой металлоконструкции, в процессе чего регистрируют число импульсов акустической эмиссии и их амплитуды, определяют параметр состояния материала контролируемой металлоконструкции Y_AE по формуле:

где [S] - нормативный коэффициент запаса прочности, ΔK=K_J-K_I - разница коэффициентов нагрузки, K_J, K_I - коэффициенты нагрузки, K_J=P_J/Р_РАБ≥1,25, K_I=P_I/Р_РАБ≥1, Р_РАБ - рабочая нагрузка, ξ_i, ξ_j - значения информативного АЭ-параметра при нагрузках P_i и P_J соответственно, k_AEi, k_AEj - акустико-эмиссионные коэффициенты при напряжениях возникающих при P_I и P_J соответственно. В качестве информативного параметра ξ используют число N_∑ импульсов АЭ или суммарную амплитуду сигналов АЭ, накопленных на этапе однородного разрушения во время выдержки под нагрузками величиной P_i, и P_j.

Отношение k_AEi/k_AEj определяется, в зависимости от выбранного закона распределения амплитуд импульсов АЭ

При отсутствии мультипликативных помех АЭ-регистрации, и неопределенности номинальных напряжений оценку Y_AE производят по формуле:

Рассчитывают величину диагностического параметра Y_R

где M_AE - константа материала конструкции и условий ее нагружения, определяют по справочным данным или результатам разрушающих АЭ-испытаний эталонных (бездефектных) образцов.

Затем величину Y_AE сравнивают с величиной Y_R для определения степени опасности источника импульсов акустической эмиссии.

Если Y_AE≤0, то данный источник сигналов АЭ классифицируют как неактивный, дефект не является опасным, состояние конструкции работоспособно (коэффициент запаса статической прочности S более 4 по долговечности. При 0<Y_AE≤Y_R источник сигналов АЭ является активным, дефект не опасен, значения коэффициента запаса прочности попадают в диапазон [S]<S<4, где [S] - нормативный коэффициент запаса статической прочности ([S]=2-4), при Y_AE>Y_R источник сигналов АЭ принимается критически активным, дефект признается опасным, работоспособность металлоконструкции - ограниченной нагрузки на диагностируемый объект должны быть снижены не менее, чем в Y_AE/Y_R раз. При Y_AE>[S]Y_R ([S] - нормативный коэффициент запаса прочности) источник импульсов АЭ классифицируется как катастрофически активный, дефект и состояние изделия признаются опасными, металлоконструкции неработоспособно [патент РФ №2270444].

После определения степени опасности источника импульсов акустической эмиссии определяют коэффициент снижения предела выносливости К_ПР.В [Носов В.В., Потапов А.И., Бураков И.Н. Оценка прочности и ресурса тех.объектов с помощью метода акустической эмиссии. // Дефектоскопия. - 2009, №2, с.58-66].

где σR, σRD - пределы выносливости эталонного и контролируемого образцов.

Определяют коэффициент запаса выносливости по формуле:

Затем определяют исходный ресурс (время до образования трещины) N_C=N_B/exp(Y_AEσ_в/[S]), где N_B - константа материала и вида сварного соединения, температуры и частоты σ_N его нагружения [Носов В.В., Потапов А.И., Бураков И.Н. Оценка прочности и ресурса тех.объектов с помощью метода акустической эмиссии. Дефектоскопия. - 2009, №2, с.58-66]).

Величину N_B можно определить по формуле

,

где N_G=2·10⁶ - число циклов, соответствующих перегибу кривой усталости, σ_R - предел выносливости при заданном коэффициенте асимметрии цикла рабочих напряжений, m - показатель степени кривой усталости. Находят остаточный ресурс металлоконструкции N_ост

N_C=N_B/exp(Y_AEσ_в/[S])-N_ПР

где N_ПР=ω_Nt_ПР - фактическое число циклов нагружения, t_ПР - фактически (предварительно) отработанный ресурс, ω_N - частота циклов нагружения.

Делают окончательный вывод о дальнейшем использовании металлоконструкции.

Многократное нагружение металлоконструкций позволяет из соотношения нагрузок определять величину Y_AE, что является более точным параметром. С помощью Y_AE определяют показатели прочности металлоконструкций, которые позволяют сделать вывод о пригодности металлоконструкций к дальнейшему использованию.

Повышение нагрузки обусловлено необходимостью расчета диагностического параметра Y_AE. Высота подъема 100-200 мм от земли - это минимальная высота, необходимая для обеспечения отсутствия контакта груза и поверхности, над которой поднимают груз. Максимальная высота поднятии груза ограничена с точки зрения безопасности для персонала и удобства самого эксперимента. Время выдерживания груза ≥10 мин - необходимое время для предотвращения регистрации лишних шумов состояния материала контролируемой металлоконструкции.

Для испытания способа были проведены подготовительные работы (Фиг.1): металлоконструкцию 1 подсоединили к механизму подъема груза 2, после чего нагрузили грузом 3, предварительно установив, преобразователи АЭ (ПАЭ) 4 для регистрации числа импульсов акустической эмиссии и их амплитуд. В процессе учитывают критические места («горячие точки») металлоконструкции, сварные швы, зоны высоких напряжений, зоны, подвергнутые ремонту, и т.д. - нахлесточное сварное соединение 5. Координаты источников акустической эмиссии вычисляют по разнице времен прихода (ВРП) сигналов на преобразователи, расположенные на объекте.

Металлоконструкцию нагрузили два раза, повышая нагрузки при соблюдении условия P_i≥Q, где Q=1400 кг - номинальная допускаемая нагрузка металлоконструкции, после каждого нагружения с помощью металлоконструкции поднимали испытательный груз (Фиг.1:2, 3) на 100, 150 мм и 200 мм от земли и удерживали его 10 мин и 12 мин. Использовали грузы весом 1400 кг, 1750 кг. Материал металлоконструкции Ст 3, для данного материала σb=450 МПа, σr=160 МПа, [S]=4.

Нагрузка при первом нагружении P_i=14000 Н, при втором P_j=17500 H, рабочая нагрузка Р_РАБ=14000 Н

ΔK=K_J-K_I=1.25-1=0.25

Количество зарегистрированных АЭ импульсов при первом нагружении ξi=2, при втором ξj=5, амплитуды соответственно Ucpi=50 дБ, Ucpj=55 дБ.

Для равновероятностного распределения амплитуд импульсов АЭ:

Для данного материала М_АЕ=5.5

Т.к. Y_AE>Y_R, то данный источник опасности нужно считать критически активным, т.е. металлоконструкция находится в состоянии ограниченной работоспособности.

Коэффициент снижения предела выносливости

Коэффициент запаса выносливости:

исходный ресурс

Число циклов, соответствующих перегибу кривой усталости

N_G=2·10⁵

Усредненный показатель степени кривой усталости

m=1.5

Константа материала и вида сварного соединения, температуры и частоты σ_N его нагружения

Остаточный ресурс металлоконструкции

N_ОСТ=N_B/exp(Y_AEσ_в/[S]-N_ПР=5.283·10⁶

Отработанный ресурс tпр=5 лет=43680 час, частота циклов нагружения ω_N=140 циклов/час.

Фактическое число циклов нагружения

N_ПР=ω_Nt_ПР=140·43680=6.115·10⁶

Исходя из значения N_ост=5.283·10⁶ и значения частоты циклов нагружения (ω_N=140 циклов/час) можно сделать вывод о том, что остаточный ресурс 4 года.

Таким образом, выявление проявляющихся в процессе изменения нагрузки развивающихся и склонных к развитию дефектов повышает точность акустико-эмиссионного контроля металлоконструкции подъемно-транспортных машин. Остаточный ресурс в рассмотренном случае ниже 5 лет и можно сделать вывод о том, что данная металлоконструкция нуждается в срочном ремонте. Кроме того, способ позволяет выявлять недопустимые при эксплуатации грузоподъемных механизмов дефекты (непровар, трещина и т.д.), которые при диагностике локальными методами НК не были выявлены, дает возможность четко определить классы опасности дефекта, выявленных в ходе контроля источников импульсов АЭ и возможность прогнозирования дальнейшего развития дефектов.

Использование: для диагностики состояния металлоконструкций подъемно-транспортных машин. Сущность: заключается в том, что нагружают металлоконструкцию и регистрируют число импульсов акустической эмиссии и их амплитуды, определяют параметр состояния материала контролируемой металлоконструкции Y_AE и рассчитывают величину диагностического параметра Y_R, затем величину Y_AE сравнивают с величиной Y_R для определения степени опасности источника импульсов акустической эмиссии, при этом металлоконструкцию нагружают как минимум два раза, повышая нагрузки при соблюдении условия P_i≥Q, где Q - номинальная допускаемая нагрузка металлоконструкции, после каждого нагружения поднимают испытательный груз с помощью металлоконструкции на 100-200 мм от земли и удерживают его ≥10 мин, определяют по соответствующим математическим выражениям Y_AE, коэффициент снижения предела выносливости К_ПР.В, коэффициент запаса выносливости, исходный ресурс, после чего находят остаточный ресурс металлоконструкции N_ост и делают вывод о дальнейшем использовании металлоконструкции. Технический результат: повышение точности акустико-эмиссионного контроля сложных металлоконструкций. 1 ил.

Способ неразрушающего контроля прочности металлоконструкции, в процессе которого нагружают металлоконструкцию и регистрируют число импульсов акустической эмиссии и их амплитуды, определяют параметр состояния материала контролируемой металлоконструкции Y_AE и рассчитывают величину диагностического параметра Y_R, затем величину Y_AE сравнивают с величиной Y_R для определения степени опасности источника импульсов акустической эмиссии, отличающийся тем, что металлоконструкцию нагружают как минимум два раза, повышая нагрузки при соблюдении условия P_i≥Q, где Q - номинальная допускаемая нагрузка металлоконструкции, после каждого нагружения поднимают испытательный груз с помощью металлоконструкции на 100-200 мм от земли и удерживают его ≥10 мин,
Y_AE определяют по формуле:

где [S] - нормативный коэффициент запаса прочности, ΔK=K_J-K_I - разница коэффициентов нагрузки, K_J, K_I - коэффициенты нагрузки, K_J=P_J/Р_РАБ≥1,25, K_I=P_I/Р_РАБ≥1, Р_РАБ - рабочая нагрузка, ξ_i, ξ_j - значения информативного АЭ-параметра при нагрузках P_i и P_j соответственно, k_AEi, k_AEj - акустико-эмиссионные коэффициенты при напряжениях, возникающих при P_I и P_J соответственно,
определяют коэффициент снижения предела выносливости К_ПР.В и коэффициент запаса выносливости по формуле:

определяют исходный ресурс
N_C=N_B/exp(Y_AEσ_в/[S]),
находят остаточный ресурс металлоконструкции N_ост и делают вывод о дальнейшем использовании металлоконструкции.