Новая технология определения механических напряжений в металлоконструкциях на основе явления акустоупругости

Определение напряженного состояния элементов конструкций является одной из актуальных задач НК. Знание реальных величин действующих напряжений необходимо для решения ряда проблем обоснованного выбора сроков безопасной эксплуатации опасных производственных объектов. Вот неполный перечень таких задач:

- контроль изменения нагрузок в процессе испытаний и ремонтных работ;

- оценка величины остаточных напряжений, возникающих при технологической обработке металла, в том числе при сварке;

- выявление превышения напряжениями допустимых величин;

- определение напряжений, возникающих при монтаже и эксплуатации крупногабаритных конструкций;

- проверка правильности результатов прочностных расчетов.

Акустоупругость - «механика без посредников»

Среди неразрушающих методов измерения механических напряжений метод акустоупругости занимает особое место. Акустоупругость как способ измерения напряжений - это «механика без посредников». Ее основой является упругоакустический эффект, то есть линейная зависимость скоростей упругих волн от напряжений. Коэффициенты этой зависимости строго определяются нелинейной теорией упругости твердого тела. Все этапы измерения и расчета проводятся в рамках нелинейной механики, без привлечения полей и волн другой природы: упругие волны - это, по существу, высокочастотные механические колебания, распространяющиеся в твердых телах. Для измерения времени распространения упругих волн (их задержки в материале), по которому судят об изменении скорости, чаще всего применяется многократно проверенный в более простых задачах (дефектоскопия, толщинометрия) ультразвуковой эхо-метод. Однако для выявления относительных изменений скоростей упругих волн, едва превосходящих 1 % даже при напряжениях, достигающих предела текучести основных конструкционных материалов, точность традиционного эхо-метода должна быть повышена в несколько раз. Достижение такой точности можно представить себе как рассматривание эхо-импульсов «в многократную лупу».

Экспериментально это явление было обнаружено в 1959 г., а акустоупругостью названо по аналогии с фотоупругим эффектом. Уже через четверть века сотрудниками ВНИИНК (Кишинев) под руководством В. М. Бобренко были разработаны вполне пригодные к практическому применению ультразвуковые методы определения одноосных напряжений в стержневых деталях на основе измерения времени пробега вдоль детали импульса продольной волны.

Во многих элементах многосекционных конструкций, в трубах и сосудах большого диаметра реализуется плоское напряженное состояние, или его с большой степенью достоверности можно считать плоским в точке контроля. В этом случае для определения напряжений удобнее использовать волны, распространяющиеся по нормали к плоскости их действия. Основы акусто-упругого метода определения двухосного напряженного состояния твердых тел разработаны сотрудниками Института механики и Института электросварки АН Украины [3]. Таким образом, ученые бывшего СССР находились в первых рядах активных исследователей акусто-упругого эффекта в конструкционных материалах.

Явление акустоупругости позволяет определять по знаку и величине как одноосные, так и двухосные напряжения независимо от наличия у материала ферромагнитных или каких либо иных специфических свойств, кроме упругих. Упругие колебания материала являются «инструментом» для его исследования, и наряду с величинами напряжений с их помощью можно получать информацию о его структурных и прочностных свойствах. Современное состояние применения акустоупругого эффекта для исследования плоского напряженного состояния конструкционных материалов с помощью объемных упругих волн.

Практическая реализация метода

Прецизионное измерение разницы скоростей волн в напряженном и «начальном» состоянии материала напоминает игру Алисы в крикет, когда перемещаются и игроки, и воротца: на изменение скорости «накладывается» изменение длины пробега волны («акустического пути»). Главными для реализации явления «акустического двулучепреломления» являются сдвиговые волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном направлению колебания «частиц» твердой среды. Направление этих колебаний (поляризация волны) может быть выбрано вдоль одного или другого компонента напряжения. В качестве «прецизионного толщиномера» для учета поперечной деформации материала при изменении его напряженного состояния применяются продольные волны. Все три волны распространяются в направлении, перпендикулярном плоскости действия напряжений.

На рис. 1 схематично представлены три варианта реализации метода акусто-упругости (для простоты выбран случай одноосного напряжения). Величину напряжения в этом случае можно определить по результатам прецизионного измерения времен распространения t1 и t2 импульсов сдвиговых волн, поляризованных в двух взаимно перпендикулярных направлениях 1 и 2 (1 - направление действия напряжения), на основе явления «акустического двулучепрелом-ления»: Q1 = D(a - a0); где D - коэффициент упругоакустичес-кой связи (КУАС) материала конструкции; a = (t2 - y/t2, a0 = (t20 - t10)/t20 - параметры его акустической анизотропии после и до возникновения искомого напряжения.

К настоящему времени создана нормативная база для широкого применения метода акустоупругости при исследовании плоского напряженного состоянияго состояния элементов конструкций. В 2007 г. введен в действие ГОСТ Р 52731-2007. «Контроль неразрушающий. Акустический метод контроля механических напряжений. Общие требования». С 1 января 2010 г. вводится в действие ГОСТ Р 53034-2008. «Контроль неразрушающий. Акустический метод контроля напряжений в материале трубопроводов. Общие требования».

Сравнение результатов эксперимента и аналитического расчета

Удачным примером для демонстрации возможностей метода акустоупругости, да и других неразрушающих методов определения напряжений, является на-гружение закрытой трубы внутренним давлением. Это одна из немногих задач теории упругости, имеющая аналитическое решение (впервые найденное Габриелем Ламе в позапрошлом веке). Согласно этому решению, напряженное состояние стенки тонкой трубы является локально плоским, поскольку осевая (Q1 ~ PR/2h) и окружная (Q2 ~ PR/h) составляющие напряжения настолько превышают радиальную, насколько радиус трубы R превышает ее толщину h.

Для определения ультразвуковым методом двух значений напряжений надо провести измерения времени распространения (задержки) импульсов сдвиговых, поляризованных вдоль образующей трубы вдоль ее окружности (t2) волн, а также продольной волны (t3), распространяющихся в радиальном направлении перпендикулярно плоскости действия измеряемых напряжений. Осевые (о) и окружные (ot) напряжения определяются по формулам Q2 = КА - К„А„; о = KК - Kл,z 11 22 t 12 2 1' v/ где К1, К2 - величины КУАС материала (D = К1 + К2); А1 = (t3t01/t1t03) - 1, А2 = (t3t02/t2t03) - 1 - измеряемые акустические параметры, не зависящие от изменения толщины элемента конструкции при деформации. Акустические измерения проведены при гидроспытании трубы диаметром 1020 мм и толщиной 9 мм внутренним давлением 25 и 50 атм.

Материал - импортная сталь шведской поставки (аналог - отечественная сталь 09Г1ФБ). В экспериментах использован портативный прибор ИН-5101А в режиме акустической тензометрии. Начальные значения задержек упругих волн в материале (t01,t02,t03) измерены после опрессов-ки трубы давлением 70 атм. На рис. 2 представлены результаты измерения двухосных напряжений в четырех точках контроля.

Средняя разница значений напряжений, определенных акустическим методом и расчетным путем, составляет: - для осевых напряжений 11 МПа (2 % от предела текучести материала, равного 500 МПа); - для окружных напряжений 40 МПа (8 % от предела текучести материала).

Следует заметить, что контрольная точка № 1 находилась на расстоянии 40 мм от продольного сварного шва, то есть вблизи области подгибки кромок при формовке трубы и зоны термического влияния шва. Большое отличие экспериментальных и расчетных значений окружных напряжений в этой области, возможно, связано с тем, что при расчете по аналитическим формулам труба предполагается полностью однородной. Для контрольных точек 3 - 5, находящихся вдали от сварного шва, разница экспериментальных и расчетных значений указанных напряжений составляет 25 МПа.



Просмотров: 2378

Дата: Пятница, 31 Августа 2012

Новости