способ неразрушающего контроля прочности металлоконструкций
Классы МПК: | G01N29/14 с использованием акустической эмиссии |
Автор(ы): | Носов Виктор Владимирович (RU), Ельчанинов Григорий Сергеевич (RU), Тевосянц Давид Сергеевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" (ФГБОУ ВПО "СПбГПУ") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2010-12-06 публикация патента:
20.03.2012 |
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 YAE и рассчитывают величину диагностического параметра YR, затем величину YAE сравнивают с величиной YR для определения степени опасности источника импульсов акустической эмиссии, при этом металлоконструкцию нагружают как минимум два раза, повышая нагрузки при соблюдении условия Pi 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 YAE, 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.
Формула изобретения
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 YAE и рассчитывают величину диагностического параметра YR, затем величину YAE сравнивают с величиной YR для определения степени опасности источника импульсов акустической эмиссии, отличающийся тем, что металлоконструкцию нагружают как минимум два раза, повышая нагрузки при соблюдении условия Pi 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,
YAE определяют по формуле:
где [S] - нормативный коэффициент запаса прочности, K=KJ-KI - разница коэффициентов нагрузки, KJ, KI - коэффициенты нагрузки, KJ =PJ/РРАБ 1,25, KI=PI/РРАБ 1, РРАБ - рабочая нагрузка, i, j - значения информативного АЭ-параметра при нагрузках Pi и Pj соответственно, k AEi, kAEj - акустико-эмиссионные коэффициенты при напряжениях, возникающих при PI и PJ соответственно,
определяют коэффициент снижения предела выносливости КПР.В и коэффициент запаса выносливости по формуле:
определяют исходный ресурс
NC =NB/exp(YAE в/[S]),
находят остаточный ресурс металлоконструкции Nост и делают вывод о дальнейшем использовании металлоконструкции.
Описание изобретения к патенту
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 YAE. Значение разрушающей нагрузки Fp 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 , импульсов АЭ, находят отношение логарифмов суммарных амплитуд в заданные моменты времени ti, tj , определяют закон распределения числа импульсов АЭ по амплитудам с одновременным определением номинальных напряжений i, j в контролируемой зоне изделия в моменты времени ti, tj соответственно, по результатам испытаний определяют параметр состояния материала контролируемого изделия YAE по формуле:
YAE=[ln( j/ i)+ln(kAEi/kAEj)]/[ j- i],
и рассчитывают величину диагностического параметра YR по формуле:
YR =M/ В,
где i, j - напряжения, действующие в контролируемой зоне изделия в i и j моменты времени соответственно;
i, j - значения суммарной амплитуды при напряжениях i и j соответственно;
kAEi , kAEj - акустико-эмиссионные коэффициенты при напряжениях i и j соответственно, их отношение определяют в зависимости от выбранного закона распределения амплитуд импульсов АЭ;
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 YAE сравнивают с величиной YR и определяют степень опасности источника импульсов акустической эмиссии, при YAE YR 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 Pi 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 YAE по формуле:
где [S] - нормативный коэффициент запаса прочности, K=KJ-KI - разница коэффициентов нагрузки, KJ, KI - коэффициенты нагрузки, KJ =PJ/РРАБ 1,25, KI=PI/РРАБ 1, РРАБ - рабочая нагрузка, i, j - значения информативного АЭ-параметра при нагрузках Pi и PJ соответственно, k AEi, kAEj - акустико-эмиссионные коэффициенты при напряжениях возникающих при PI и PJ соответственно. В качестве информативного параметра используют число N импульсов АЭ или суммарную амплитуду сигналов АЭ, накопленных на этапе однородного разрушения во время выдержки под нагрузками величиной Pi, и Pj.
Отношение kAEi/kAEj определяется, в зависимости от выбранного закона распределения амплитуд импульсов АЭ
При отсутствии мультипликативных помех АЭ-регистрации, и неопределенности номинальных напряжений оценку YAE производят по формуле:
Рассчитывают величину диагностического параметра YR
где MAE - константа материала конструкции и условий ее нагружения, определяют по справочным данным или результатам разрушающих АЭ-испытаний эталонных (бездефектных) образцов.
Затем величину YAE сравнивают с величиной YR для определения степени опасности источника импульсов акустической эмиссии.
Если YAE 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<YAE YR 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 YAE>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 YAE/YR раз. При YAE>[S]YR ([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 КПР.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 R, RD - пределы выносливости эталонного и контролируемого образцов.
Определяют коэффициент запаса выносливости по формуле:
Затем определяют исходный ресурс (время до образования трещины) NC=NB/exp(Y AE в/[S]), где NB - константа материала и вида сварного соединения, температуры и частоты 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 NB можно определить по формуле
,
где NG=2·106 - число циклов, соответствующих перегибу кривой усталости, R - предел выносливости при заданном коэффициенте асимметрии цикла рабочих напряжений, m - показатель степени кривой усталости. Находят остаточный ресурс металлоконструкции N ост
NC=NB/exp(Y AE в/[S])-NПР
где N ПР= NtПР - фактическое число циклов нагружения, tПР - фактически (предварительно) отработанный ресурс, N - частота циклов нагружения.
Делают окончательный вывод о дальнейшем использовании металлоконструкции.
Многократное нагружение металлоконструкций позволяет из соотношения нагрузок определять величину YAE, что является более точным параметром. С помощью YAE определяют показатели прочности металлоконструкций, которые позволяют сделать вывод о пригодности металлоконструкций к дальнейшему использованию.
Повышение нагрузки обусловлено необходимостью расчета диагностического параметра YAE. 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 b=450 МПа, r=160 МПа, [S]=4.
Нагрузка при первом нагружении Pi=14000 Н, при втором Pj=17500 H, рабочая нагрузка РРАБ=14000 Н
K=KJ-KI=1.25-1=0.25
Количество зарегистрированных АЭ импульсов при первом нагружении i=2, при втором j=5, амплитуды соответственно Ucpi=50 дБ, Ucpj=55 дБ.
Для равновероятностного распределения амплитуд импульсов АЭ:
Для данного материала МАЕ =5.5
Т.к. YAE>YR , 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
NG=2·105
Усредненный показатель степени кривой усталости
m=1.5
Константа материала и вида сварного соединения, температуры и частоты N его нагружения
Остаточный ресурс металлоконструкции
NОСТ=NB/exp(YAE в/[S]-NПР=5.283·106
Отработанный ресурс tпр=5 лет=43680 час, частота циклов нагружения N=140 циклов/час.
Фактическое число циклов нагружения
NПР= NtПР=140·43680=6.115·10 6
Исходя из значения Nост=5.283·10 6 и значения частоты циклов нагружения ( 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.
Класс G01N29/14 с использованием акустической эмиссии