ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 2, 2013
НАДЕЖНОСТЬ, ПРОЧНОСТЬ, ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ МАШИН
И КОНСТРУКЦИЙ
УДК 620.179.143
© 2013 г. Махутов Н.А., Фомин А.В., Иванов В.И., Пермяков В.Н., Васильев И.Е.
КОМПЛЕКСНАЯ ДИАГНОСТИКА ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ И РАННЕГО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ АВАРИЙНЫХ СОСТОЯНИЙ КОНСТРУКЦИЙ
Изложена новая методика неразрушающего контроля для диагностики предельных состояний и раннего предупреждения об опасности разрушения конструкций и объектов с применением оксидных тензоиндикаторов и акустико-эмиссионной системы. Отработку методики выполняли при испытаниях на разрыв образцов из сплава В95.
Для диагностирования предельного состояния и раннего предупреждения о возникновении предаварийного состояния объектов исследования применяют различные методы технической диагностики и неразрушающего контроля: локальные, интегральные и расчетно-экспериментальные [1—2]. Однако применение существующих методов неразрушающего контроля состояния диагностируемых объектов не всегда обеспечивает в полной мере предупреждение и предотвращение развития опасных состояний. Наиболее целесообразно проводить мониторинг (непрерывный или периодический контроль), сочетая различные методы диагностики. Это обусловлено необходимостью учитывать факторы, влияющие на повреждаемость конструкций, и повышать вероятность выявления возникновения и развития потенциально опасных и сложно идентифицируемых дефектов с применением других методов контроля. Главным условием обеспечения безопасной эксплуатации объектов является постоянный мониторинг за процессом накопления повреждений, образования и развития трещин в высоконагруженных и особо опасных зонах конструкций.
Среди интегральных средств диагностики наибольшее распространение получили акустико-эмиссионные системы [3], включающие преобразователи акустической эмиссии, предусилители электрического сигнала, линии связи, аналого-цифровой преобразователь, цифровой блок регистрации сигналов акустической эмиссии (АЭ), системный контроллер, кабель интерфейсной связи и персональный компьютер.
Акустический сигнал на входе датчика акустической эмиссии преобразуется в электрический сигнал, который поступает в предусилитель, фильтруется и подается на входе основного усилителя. Далее сигнал аналого-цифровым преобразователем квантуется в цифровую форму и поступает в блок формирования параметров. Запуск блока происходит в случае превышения амплитудой сигнала заданного порогового уровня. Полученные цифровые данные обрабатываются сигнальным процессором,
который вычисляет параметры принятых и обработанных импульсов акустической эмиссии.
Установленные на объекте контроля преобразователя акустической эмиссии принимают акустические сигналы, возникающие в процессе локальной динамической перестройки материала конструкции (переход в область пластических деформаций, образование микротрещин, их слияние, возникновение макротрещины). Анализирующая эти процессы аппаратура обеспечивает непрерывное слежение за динамикой их развития. В случаях критического роста скорости развития трещин и возникновения опасности разрушения конструкции включается система раннего предупреждения об опасности возникновения аварии.
Однако при всех достоинствах метода средствами акустической эмиссии контроля присущи определенные недостатки.
1. Как правило, в эксплуатационных условиях в диагностируемой конструкции и окружающей среде возникают шумовые сигналы, амплитуда и энергия которых превосходит параметры сигналов от пластической деформации, образования и роста трещин, что затрудняет на фоне сигналов шумов идентификацию опасных источников лоцируемых сигналов акустической эмиссии.
2. В области упругого деформирования материала невозможна оценка напряженно-деформированного состояния диагностируемых конструкций. Регистрация сигналов акустической эмиссии начинается при нагрузках, вызывающих локальную перестройку структуры материала, — переход в пластическое состояние, что в ряде случаев является недопустимым (например, для конструкций из хрупких и квазихрупких материалов).
Одним из эффективных средств неразрушающего контроля для выявления дефектов и оценки напряженного состояния конструкций могут быть хрупкие покрытия, позволяющие оперативно и достаточно точно выявлять (по характеру и плотности распространения трещин в тензопокрытии) не только зоны конструктивно-технологической концентрации напряжений, но и зоны вероятных локальных дефектов [4]. Тензопокрытия позволяют провести количественную оценку коэффициентов концентрации напряжений, определить места наиболее вероятного разрушения и скорости роста трещин.
Используемая до настоящего времени технология фиксации картин трещин в хрупких тензочувствительных покрытиях заключается в фрагментарном фотографировании мест образования трещин и их зарисовке на предварительно подготовленные эскизы исследуемой конструкции [5]. Контроль состояния хрупких тензопокрытий и фиксацию образовавшихся на этапах испытаний картин трещин выполняют визуально, используя для этого направленный свет. Однако визуальное наблюдение за процессом распространения трещин в тензопокрытии часто оказывается весьма неудобной и технически сложной задачей. Кроме того, время, требуемое для зарисовки картин трещин на этапах эксперимента, как правило, превышает время самих испытаний, а точность их зарисовки в значительной степени зависит от квалификации оператора и удобства зарисовки. Эти недостатки в значительной степени препятствуют широкому распространению метода в качестве средства экспериментальной диагностики и контроля при исследовании распределения деформаций и выявлении скрытых дефектов.
Предлагаемая методика контроля для диагностики предельных состояний и раннего предупреждения об опасности разрушения конструкций и объектов сочетает в себе достоинства, присущие каждому из комбинируемых методов, и лишена недостатков, свойственных этим методам в отдельности. Требуемый эффект достигается за счет установки в наиболее нагруженных и опасных зонах диагностируемого изделия хрупких тензоиндикаторов, настроенных на уровень пороговой деформации, меньший или равный предельно допустимой для безопасной эксплуатации конструкции, а для дистанционного контроля их состояния (регистрации и локации трещин) используется акустико-эмиссионная система [6—7].
Результаты проведенных экспериментов свидетельствуют о том, что новая методика позволяет на ранней стадии в области упругого деформирования задолго до структурной перестройки материала контролировать состояние диагностируемой конструкции.
Рассмотрим характеристики оксидных тензоиндикаторов и эксперименты, проведенные по отработке предложенной методики при испытаниях на разрыв образцов из алюминиевого сплава В95, в которых для контроля состояния тензоиндикаторов и материала подложки использовали акустическую эмиссию системы A-Line 32D.
Оксидный тензоиндикатор (рис. 1) представляет собой алюминиевую фольгу толщиной порядка 100 мкм, электрохимически анодированную с одной стороны (для получения прозрачной хрупкой оксидной пленки толщиною 10—40 мкм) и наклеенную на исследуемый элемент конструкции [5]. При возникновении в подложке алюминиевой фольги деформации б:, превышающей величину пороговой деформации s0 в оксидной пленке тензоиндикатора, образуется трещина.
Используя характеристики тензочувствительности (ст0, б0) и график изменения численности трещин в оксидной пленке ¥ от уровня деформаций в подложке [4—7], можно с погрешностью не большей 15% провести оценку значений наибольших деформаций (напряжений) конструкции в области распространения трещин в хрупком тензо-индикаторе.
Оксидные тензоиндикаторы можно использовать для проведения исследований в области как упругих, так и пластических деформаций (в интервале значений от 0,05 до 7%), имеют широкий температурный диапазон от —200 до +200°, а при температурах —50 —ь50° обладают постоянными характеристиками, устойчивы к воздействию воды и масла, технологически просты в изготовлении и в течение длительного времени сохраняют характеристики стабильными (не менее 5 лет).
Оксидная пленка, выращиваемая на поверхности алюминиевой фольги в сернокислотном электролите, представляет собой сильно растравленную аморфную структуру, содержащую множество микропор (концентраторов напряжений), которые в процессе нагружения подложки при достижении определенного уровня пороговой деформации Ej > s0 активизируются и служат источниками зарождения трещин в тензопокры-тии [5]. По мере нарастания нагрузки процесс трещинообразования носит дискретный, прерывистый характер. Высвобождаемая при этом энергия упругой деформации генерирует акустические волны. Длительность импульсов акустической эмиссии изменяется от десятков микросекунд до миллисекунд, а энергия достигает 10-5 Дж. Параметры сигналов зависят от характеристик тензоиндикатора (толщины хрупкого слоя, длины скачка трещин, скорости звука в материале покрытия), а также скорости нагружения, т.е. скорости превышения пороговой деформации при нагружении d(E!/E0)/dx, при которой в тензоиндикаторе происходит образование трещин.
В проводимых экспериментах для контроля состояния оксидных тензоиндикаторов и материала подложки использовали преобразователи G-200 с резонансной частотой 150 кГц, предусилители с полосой пропускания 30—500 кГц и коэффициентом усиления 26 дБ.
Оксидные тензоиндикаторы изготавливали из алюминиевой фольги марки А7 толщиной 100 мкм, которая наклеивалась на поверхность образцов с применением эпоксидного клея. Образцы представляли собой плоские пластины толщиной 2 мм из высокопрочного алюминиевого сплава В95.
Электрохимическое анодирование алюминиевой фольги проводили в 20% водном растворе серной кислоты. Длительность процесса анодирования варьировала от 30 до 60 минут, плотность тока — от 4 до 8 А/дм2, температура электролита — от 0 до 20°. Такой способ получения тензоиндикаторов позволял регулировать их чувствительность от предельно низких значений e0 = 400—500 мкм/м, до максимально высоких e0 = 2000—2500 мкм/м (для оксидных пленок, получаемых в сернокислотном электролите).
Рис. 1
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.