УДК 620.179.1
ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ И РЕСУРСА СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИИ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
В.В. Носов
К основным характеристикам прочности и ресурса машин и конструкций относятся запасы прочности по различным критериям (статической прочности, малоцикловой и многоцикловой усталости, трещиностойкости), а также исходный ресурс, накопленные длительные или циклические повреждения, остаточный ресурс. Для оценки накопленных повреждений на первой стадии разрушения достаточно определить значения входящих в уравнение роста повреждений параметров, а для оценки ресурса — решить это уравнение относительно времени накопления критической повреждаемости на основе оценки значения диагностического параметра. Показана возможность оценки этих характеристик с помощью регистрации сигналов АЭ и предложенной в предыдущих работах модели.
В основе предлагаемой методики оценки прочности и ресурса лежит опирающееся на микромеханическую модель параметров АЭ определение диагностического параметра — концентрационно-кинетического показателя УАЕ по формуле
кАЕ,-
С; кАЕ
^АЕ = —--[ (1)
а. □
где а;, о. — номинальные напряжения, действующие в контролируемой зоне изделия в , и . моменты времени соответственно; 4', Ц — значения информативного АЭ-параметра и их производных по времени при напряжениях о, и о. соответственно; кАЕ,, кАЕ. — акустико-эмиссионные коэффициенты при напряжениях о, и о. соответственно.
При равномерном ступенчатом нагружении контролируемого изделия в качестве значений о, и о. можно принимать значения, соответствующие различным уровням выдержки изделия под постоянной нагрузкой.
В качестве информативного параметра могут использоваться число N импульсов АЭ или суммарная амплитуда импульсов АЭ Мхиср, накопленных на этапе однородного разрушения до момента достижения напряжениями величин и о., активность АЭ Ме, скорость накопления суммарной амплитуды Ы^иср в момент достижения напряжениями величин а;, и о. и различные комбинации этих параметров.
Отношение кАЕ /кАЕ. определяется в зависимости от выбранного закона распределения амплитуд импульсов АЭ по следующим формулам: для равновероятностного распределения амплитуд импульсов АЭ
кАЕ,. _ иср ^
кАЕ. иср .
для показательного распределения амплитуд импульсов АЭ
к итш
ЛАЕ, _ иср,
1 тм
кАЕ, иср .
Виктор Владимирович Носов, доктор техн. наук, профессор Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Тел. (812) 596-28-28. E-mail: nosovvv@list.ru
для экспоненциального распределения импульсов АЭ
кДВI кДВ,
□□□
ин ин □
иср ] иср1
где иср;, иср/ — средние амплитуды импульсов АЭ при напряжениях о1 и соответственно; т — параметр показательного амплитудного распределения; ин — нижний порог дискриминации измерительной аппаратуры.
При отсутствии мультипликативных помех АЭ-регистрации и неопределенности номинальных напряжений оценку УДВ производим по формуле £ с
5Л ГСП Л
Удв = -— =-— □ (2)
□ а, АКо,
ч
где [5] — нормативный коэффициент запаса прочности; ДК = Кл - К, — разница коэффициентов нагрузки; К3, К, — коэффициенты нагрузки (доли от рабочей нагрузки); К3 = Р7/Рраб; К1 = Р7/Рраб; Рраб — рабочая нагрузка; Рраб ~ оДкИ) = [а]20/к; ав — предел прочности (временное сопротивление) материала конструкции; к = с/Р — коэффициент пропорциональности между нагрузкой на конструкцию (например, внутренним давлением Р) и номинальным напряжением в ее контролируемой области. Согласно ПБ 03—593—03,
й[а]2о/[а]( > К > К, > 0,5,
где а = 1,25 для всех сосудов, кроме литых; а = 1,5 для литых сосудов; [а]20, [а]( — допускаемые напряжения для материала сосуда или его элементов соответственно при 20 °С и расчетной температуре. При ступенчатом на-гружении объекта контроля с выдержками давления на уровне Рл и Р, вместо ^ и принимаем минимальную скорость счета или активность АЭ на соответствующих уровнях давления.
Определение коэффициента запаса статической прочности производим по формуле
5ст = ОвМраб = (М + 1п(арГАЕ))/(арабГАЕ),
где М(и0, овн, Т, ю^) = и(и0, Т, авн, щ)/(КТ) - 1п(С0/(С*т0)) — константа материала, температуры, частоты ю^ циклического нагружения и вида сварного соединения; — скорость роста номинального напряжения при стандартном статическом испытании; араб — номинальное значение рабочего напряжения в соединении.
Для оценки характеристик циклической прочности используем экспоненциальную связь между напряжением и временем или числом циклов N до разрушения
N = ю^т*,
где ю^ — частота нагружения. Данная зависимость в полулогарифмических координатах представляется прямыми линиями (рис. 1а). Входящий в формулы стандартных методик коэффициент снижения предела выносливости
К = Яя _ (□□", □□□^б _ Уко □ (3)
°яо (□□и, □□□^ )/Уко Ук
где Nб — базовое число циклов; ак, око — пределы выносливости эталонного и контролируемого образцов; Ук, Уко — угловые коэффициенты прямых 1п^ - а, построенных по результатам усталостных испытаний эталонного и контролируемого образцов (рис. 1, 2).
vrd о
LgNб LgNc
Рис. 1. Построение кривых усталости в номинальных напряжениях и параметры кривых усталости:
а — в полулогарифмических координатах; б — в двойных логарифмических координатах [1].
Значение YRD определяется по результатам неразрушающего АЭ-контроля соединения (YRD = YAE), а величина YR — из данных усталостных испытаний бездефектных стандартных образцов конкретного сварного соединения (рис. 1, 2). При отсутствии сведений о долговечности и невозможности построения прямой lnNc - о значения YR могут быть определены приближенно по приводимым в справочниках данным показателей степеней кривых усталости m и mN сварных соединений. В частности, для многоцикловой усталости с описывающим ее кривую уравнением amNc = const:
d□□Nr _ _d□□Nr _ YB d□□a, □
yr
WUUIr WUUlIr i R U U 1*J„ U
Yr =--m = □--¡L =-^ = —□
dQa d ппаа m daa aa
где Ga — амплитудное номинальное напряжение от внешней нагрузки при заданном стационарном цикле. Таким образом при расчете на многоцикловую усталость
Yr = m/a. (4)
Аналогично при расчете на малоцикловую усталость с описывающим ее oNqn = const кривая усталости
Yr = 1/(от). (5)
Значения m = 3—9 или mN = 0—0,6 принимаются в зависимости от класса стали и вида сварного соединения. В частности, по данным [1] для малоцикловой усталости стали и сварных соединений средние значения mN = 0,3, а = 300 МПа, YR = 1/(0,3 • 300) = 0,011 МПа1, что попадает в диапазон значений YAE, полученных экспериментально из статических АЭ-испытаний бездефектных образцов [2, 3].
О,, МПа
700
500
300
10-1 10 0 101 102 103 104 NC
a
Yr = 0,01 5 МПа-1 -
Ч,
А. — ^ 1
' " — . > Ь^»* * * Я, 0,43 Yr
2 1 > * * *. к—
\ Tv*« N "О * 4 К
3 » ч 4 - Чь,
•V
s
Рис. 2. Кривые малоцикловой усталости сварных соединений (по данным [1]):
а — результаты малоцикловых испытаний различных зон бездефектных сварных соединений стали ВМСтЭсп, 1 — металл углового шва, 2 — металл зоны термического влияния стыкового соединения, 3 — основной металл; б — результаты малоцикловых испытаний стыковых соединений стали 10ХСНД толщиной 20 мм, 1 — качественное соединение, 2 — угловатость (8 мм на длине 1 м), 3 — непровар 4 мм.
Еще один метод приближенного расчета Ук может быть основан на использовании обнаруженной в экспериментах связи разрушающей нагрузки ^рп и величины показателя ГАЕ: ^рп ~ 5,5/(кГАЕ). Отсюда для безде-
фектных стальных сварных соединений УЯ ~ 5,5/ств, где ав — предел прочности материала или сварного шва. При ав = 650 МПа УЯ ~ 0,0085 МПа-1.
Коэффициент запаса выносливости детали при циклическом нагру-жении
£ = ^Ж = 0 Я [
К пр.в^а
где аа — номинальные амплитудные напряжения.
Допускаемые напряжения для стали [а] = г °Я— ~ г п °Я-[
[£]К пр., [5]пппудо
Исходный ресурс (от начала эксплуатации до образования трещины) определяется по формуле
N = шNCа 1 п/Сп ппп (КТ п У^а) = ^/ехр (У^а)п
где N = юNC*т0/C0exp(U0/KГ) — константа материала и вида сварного соединения, температуры и частоты юN его нагружения; определяется по результатам циклических испытаний образцов, построения кривой усталости и экстраполяции линейного участка зависимости а(1^с) на ось 1gNc (см. рис. 2). Остаточный ресурс металлоконструкции рассчитывается по формуле
= ^ехр(Уща) - ^р,
где = ю^пр — фактическое число циклов нагружения; гпр — фактически (предварительно) отработанный ресурс.
При диагностике второй стадии разрушения методами механики разрушения оценивают степень опасности трещины или дефектов типа трещин. Методом акустической эмиссии стадии разрушения распознаются по степени акустической активности, степени статистической устойчивости и виду амплитудных, временных и частотных распределений, средним значениям и средним квадратичным отклонениям амплитуды сигналов, степени локализации источников АЭ. В частности, используют формулу Периса-Эргодана, связывающую скорость V роста трещины с коэффициентом К\ интенсивности напряжений соотношением
V = АК
где Ав, п — константы, с которыми связаны АЭ-показатели прочности [4] ЪАЕ = п1пК1, УАЕ = йЪАЕ/йа = пЛпс/йс = п/ст.
Значения п для трещин различной степени опасности и источников АЭ различной активности установлены по результатам электронно-фрактографических исследований и приведены в справочниках и правилах безопасности [5, 6], номинальные значения а напряжений металлоконструкций приводятся в ее технической документации. В частности, для сосудов давления, выполненных из материала Ст3 и а = 150 МПа, при УАЕ < 0 (п < 1) имеем неопасную трещину с зоной подготовки ее развития, находящейся на этапе мелкодисперсного локализованного кинетически неоднородного разрушения, источник АЭ пассивный. При 0 < п < 1,5 и 0 < УАЕ < 0,01 МПа1 зона подготовки развития трещины находится на этапе кинетически однородного разрушения, источник АЭ
активный. При 1,5 < п < 6 и 0,01 МПа1 < УАЕ < 0,04 МПа1 зона трещины находится на этапе интенсивного однородного разрушения, источник АЭ критически активный, при п > 6 и УАЕ > 0,04 МПа1 идет развитие опасной трещины, источник АЭ катастрофически активный.
Таким образом, несмотря на различия стадий разруше
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.