УДК 621.793:620.199:001.18
АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЙ КОНТРОЛЬ ПРОЧНОСТИ СЛОЖНО НАГРУЖЕННЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ
В.В. Носов, А.И. Потапов
Интерпретация результатов акустико-эмиссионного (АЭ) контроля состояния сложно нагруженных объектов, обладающих разветвленной, изменяющейся во времени и пространстве структурой, основана на статистическом подходе к поиску корреляционных связей между диагностическими параметрами и параметрами состояния, что не всегда оказывается эффективным. Рассмотрены методология, результаты лабораторных и стендовых испытаний сварных соединений, методика неразрушающего контроля прочности и диагностики состояния сложно нагруженных металлоконструкций подъемно-транспортных машин, базирующиеся на применении развиваемого физического подхода.
Ключевые слова: ресурс, прочность, разрушение, акустическая эмиссия.
ВВЕДЕНИЕ
Под сложно нагруженными конструкциями в данной работе понимаются конструкции с неопределенным напряженно-деформированным, структурным и прочностным состояниями, вызванными влиянием большого количества сложно контролируемых факторов, что затрудняет прогнозирование ресурса. Примерами таких факторов являются конструктивная сложность и статическая неопределимость конструкций, нерегулярность режимов на-гружения, разнообразие и скрытость концентраторов напряжений, развиваемых в процессах усталостного разрушения. АЭ-контроль таких металлоконструкций осуществлялся в соответствии с требованиями действующих правил безопасности [1—3]. Цель его проведения — выявление развивающихся и склонных к развитию дефектов, проявляющихся в процессе изменения нагрузки, определение их местоположения и степени опасности. Общая схема контроля заключается в поднятии машиной груза весом 1,15 от рабочей нагрузки и фиксации при этом сигналов АЭ из интересующего участка металлоконструкции. Классификацию дефектов диагностируемой конструкции производят по наличию либо отсутствию сигналов АЭ (латентности АЭ) в процессе нагружения до рабочей (меньшей диагностической) нагрузки крана или после ее превышения, амплитудному либо локально-динамическому критериям, результатам спектрального вейвлет-анализа, позволяющим сел-лектировать сигналы АЭ, и другим признакам.
В результате применение метода АЭ позволило выявить недопустимые при эксплуатации грузоподъемных механизмов дефекты (непровар, трещина), которые при диагностике другими методами неразрушающего контроля не были выявлены, опасные концентраторы напряжений, качественно оценить состояние болтовых соединений металлоконструкций, а также (в случае наличия незатянутых болтовых соединений) точно определить местоположение по локационной картине. Однако приведенные примеры интерпретации результатов регистрации сигналов АЭ недостаточно физически обоснованы и не дают точной количественной оценки ресурса, поскольку необходимые для оценки прочности сведения, взятые из данных обучающего эксперимента, проведенного на представительных образцах
Виктор Владимирович Носов, доктор техн. наук, профессор кафедр "Приборостроения" Национального минерально-сырьевого университета "Горный" и "Машиноведения и основ конструирования" Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Тел. 8-904-61-79-438. E-mail: nosovvv@list.ru
Анатолий Иванович Потапов, доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой "Приборостроения" Национального минерально-сырьевого университета "Горный". Тел. 8-921-955-60-85. E-mail: apot@mail.ru
объекта, приводят в этих условиях к большим погрешностям. Повышение точности в этих условиях требует выявления более общих закономерностей роста повреждаемости, параметры которых необходимо определять из неразрушающих экспресс-испытаний непосредственно на диагностируемой конструкции. Такая оценка возможна на основе представленного в [4—10] подхода.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Методологической основой исследований являются положения кинетической теории прочности, микромеханические модели разрушения и временных зависимостей параметров АЭ гетерогенных материалов [6, 8, 10], позволяющие выбирать полезные сигналы АЭ, информативные параметры процесса разрушения и прогнозировать потерю прочности в момент накопления критической концентрации микротрещин. Определение времени ¿ост, оставшегося до момента накопления критической концентрации микротрещин С* на стадии ее мелкодисперсного роста, состоит в оценке параметров выражения
C(t) = с0 J у(е')
\ dt
1-exp >
0 e(t)
(1)
где С — концентрация микротрещин; t — текущее время; С0 — начальная концентрация структурных микроэлементов; 0mm, 0max — крайние значения долговечности элементов; у(0') — функция плотности распределения количества структурных элементов по долговечности 0', задаваемой формулой Журкова. C(t*) = C*; t = t* - t , где tп — предварительно потерянный ресурс. Информацию о процессе микротрещинообразования несут в себе сигналы АЭ, временные зависимости ^(t) = kAEC(t) параметра которой регистрируются экспериментально, kAE — акустико-эмиссионный коэффициент.
В частности, участки временных зависимостей числа Nъ импульсов или активности N АЭ этапа однородного разрушения при равномерном нагру-жении с постоянной скоростью с роста напряжении с описываются выражением
Ns(t) = kAEC0Ktexp[(KT(b t - U0)/(KT)]/(%KTb ), (2)
где b) = ус /KT; у — структурно-чувствительный коэффициент формулы Журкова; K — постоянная Больцмана; Т — абсолюта ая температура.
При выдержке под постоянной нагрузкой, когда с = 0, с = const
Nx(t) = kAECotexpro/{Toexp[Uo/(KT)]}, (3)
где ю = ус/KT — параметр прочностного состояния.
Активность АЭ при этом
N(t) = k^CQexp(b/{lQ[UJ(KT)]}. (4)
Основанные на описанной методологии исследования показали [4—10], что наилучшую корреляцию с разрушающей нагрузкой или временем до разрушения из наиболее применяемых при диагностировании параметров АЭ (общее число N^, средняя амплитуда иср и энергия Еср импульсов АЭ, зарегистрированных на этапе упругого нагружения, значения локально-динамического m и концентрационно-кинетического kYAE показателей) имеет показатель kYAE
kYAE = dlnfydF ~ ю/F, (5)
е
где к = ст/Е — коэффициент пропорциональности между номинальными напряжениями ст в образце и диагностической нагрузкой Е. С помощью параметра (5) при известных значениях ст, Е или к рассчитывали значения разрушающей нагрузки, времени до разрушения, коэффициентов запаса статической прочности, снижения предела выносливости, исходного и остаточного ресурсов. Статическая неопределимость сложно нагруженных конструкций машин и оборудования, отклонение от конструктивных решений в процессе их ремонта и эксплуатации приводят к неопределенности значений ст, к и предельного значения концентрационно-кинетического показателя, что затрудняет формулировку диагностического признака и проведение контроля.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Исследования АЭ сложно нагруженных образцов сварных соединений показали [5—7], что оценку состояния металлоконструкции в условиях неопределенности напряженного состояния удобно вести с помощью коэффициентов функции ^(ю) плотности распределения значений параметра ю прочностного состояния структурных элементов и безразмерного диагностического параметра
^лв = ^лв • ст = ^ ^ = а^Ж = ю, (6)
где Кн = Е/Ераб — коэффициент нагрузки; Е и Ераб — диагностическая и рабочая нагрузки (табл. 1, 2). Из табл. 2 видно, что информация об искажении формы или наличии дефектов сечения влияет на значения напряжений и параметра 7лв и не влияет на величину параметра ЖДЕ, для оценки которого, как видно из (6), расчет напряжений не нужен.
Таблица 1
Диагностические признаки этапов процесса разрушения и формулы оценки ресурса сложно нагруженных сварных соединений
Стадия Номер и наименование этапа разрушения Диагностический признак этапа разрушения Формула оценки ресурса(Т-момент диагностирования)
I 1.1. Делокализованное мелкодисперсное неоднородное = 0 при ст < ст в (латентный период), <B2/<Bj > 1; <в2/ю 0 > 1 и ст3 > ц Т* = (1 4 10)Т
I 1.2. Делокализованное мелкодисперсное однородное d 2ljdt2 = 0 при ст = const d 2ln^/dt2 = 0 при dCT/dt = const <в2/ю1 < 1; <в2/ю0 < 1 и ст3 < ц Время до локализации Т* = У(^лЕ)
I 1.3. Локализованное мелкодисперсное неоднородное £, = 0 при ст < ст е (латентный период), <в2/ю1 > 1; <в2/ю0 > 1 и ст3 > ц т* = (0,5 4- 1)Т
I 1.4. Локализованное мелкодисперсное однородное d 2ydt2 = 0 при ст = const d 2ln^/dt2 = 0 при dст/dt = const <в2/ю1 < 1; <в2/ю0 < 1 и ст3 < ц Время до начала роста концентратора Т* = Л^лв)
II 2.1. Пластическое разрушение d 2ydt2 < 0 при ст = const d 2ln^/dt2 < 0 при dст/dt = const <в2/ю1 > 1; ю2/ю0 > 1 и ст3 > ц т* = (0,01 4 0,1)Т
II 2.2. Образование и рост трещины d 2ln^/dt2 > 0 при ст = const d 2ln^/dt2 > 0 при dст/dt = const ю2/ю1 < 1; <в2/ю0 < 1 и ст3 < ц т* = (0,01 4 0,1)Т
Таблица 2
Результаты оценки показателей прочности образца нахлесточиого сварного соединения [5]
Площадь сечения без учета дефектов, мм2 Площадь сечения с учетом дефектов, мм2 Время, с -Р, Н Напряжения с учетом дефектов, МПа Напряжения без учета дефектов, МПа Число А^ имп. с начала нагружения 7де с учетом дефектов, МПа-1 б 7ае без учета дефектов, МПа-1 IV " АЕ с учетом дефектов IV " АЕ без учета дефектов
Равномерное натружение
597 392 220 51 000 130 85 78
597 392 300 93 000 237 156 229 0,010 0,015 2,384 2,384
Выдержка нагрузки
Число А^ имп. за период 10—160 с после начала выдержки
597 392 299—600 93 000 237 156 15
597 392 752—1900 150 000 382 251 107 0,014 0,020 5,170 5,170
597 392 2025—2257 168 000 428 281 187 0,012 0,019 5,210 5,210
Кроме того, результаты такой оценки были рассмотрены также на примере диагностирования состояния сложно нагруженной металлоконструкции главной балки мостового крана, выполненной в виде сварной стальной балки коробчатого сечения с размерами 5800x300x200 мм, толщиной стенки 5 мм с заваренной сложным сварным швом трещиной в корпусе [3]. Балку нагружали до полного разрушения ступенчато с выдержкой после каждой ступени нагружения, в процессе чего фиксировали сигналы АЭ. Анализировали временные зависимости
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.