Контроль усталости металла, как объективная первооснова диагностики оборудования и конструкций

Разрушений, подобных показанным на рис. 1, можно избежать, если в процессе эксплуатации периодически или непрерывно следить за степенью усталости металла несущих конструкций или узлов оборудования. В действительности, как у нас, так и во всем мире современная диагностика если и выполняет усталостный контроль металла, то делает это, по большей части, декларативно. Практически неразрушающих средств прямых измерений уровня накопленной усталости металла до сих пор просто не существовало. Как исключение можно рассматривать некоторые «особые» объекты, для которых все же используют специализированные методы и системы, впрочем, мало пригодные для массовой и рядовой экспертизы и имеющие в своей сути косвенное отношение к реальной усталости. Так, например, рентгеновский структурный анализ в этой части несомненно эффективен при лабораторных исследованиях, но не может быть инструментом экспертизы широкого применения.

Поэтому сегодня диагностика металлоконструкций и оборудования, как правило, вынужденно строится на понятиях и критериях дефектности металла, чтобы хоть как-то оценить текущее состояние объектов контроля. Не последнее значение в таком сложившемся положении имеет и тот факт, что в течение уже многих лет основное внимание уделяется развитию именно дефектоскопических методов и приборов. А непосредственно усталость металлоконструкций при экспертизе реально никак не определяется, разве что оценивается «на глазок» простым сравнением отработанного срока службы изделия с расчетным предельным. При этом итоговая оценка годности диагностируемого металла строится в основном на наличии или отсутствии в нем дефектов, количестве этих дефектов, их размерах, а также скорости роста их числа и размеров. При всей аксиоматичности утверждения, что диагностика и дефектоскопия - понятия не тождественные, объективно сложившаяся ситуация этой аксиоме противоречит.

В действительности не всякий дефект металла, выявленный в работающем узле, реально влияет на его работоспособность. С другой стороны, нередки ситуации, когда появление дефекта ведет к немедленному лавиноподобному разрушению металла. Поэтому принципиально некорректно в основу диагностического прогноза работоспособности закладывать дефектоскопические критерии. И определение текущего усталостного состояния металла в таких случаях, по сути, ничем иным заменено быть не может. Используемые сегодня приемы (вроде уточняющего расчета прочности) в качестве основной составляющей измерения усталости в выполняемой экспертизе неполноценны. Они представляют собой вынужденный и далекий от совершенства компромиссный вариант того, что здесь в действительности должно быть - это инструментальный метод оценки усталости металла без нарушения целостности диагностируемого объекта. Причем в комплексе с оценкой состояния контролируемой области вообще и во взаимодействии, перераспределении нагрузки с окружающими зону контроля соседними областями, звеньями или частями диагностируемой конструкции. И даже при самом придирчивом объективном анализе трудно представить решения, которые бы сегодня лучше удовлетворяли изложенным требованиям, чем предложенные в настоящей работе.

Если рассмотреть обобщенную классическую диаграмму стендового нагружения образца металла растяжением до разрушения (рис. 2), то представляется уместным следующее уточнение. Дефекты в металле как результат нагружения появляются уже только на конечной стадии процесса (зона II), т. е. непосредственно перед разрушением. Значит и дефектоскопия с точки зрения оценки состояния металла имеет смысл только на этой стадии. А до этого «завершающего момента» в жизни металла в нем на макроуровне просто не может быть усталостных дефектов. И на отрезке I, начинающемся с пуска в эксплуатацию и составляющем большую часть ресурса, т. е. на микроуровне, такая дефектоскопическая по содержанию диагностика будет, по сути, непродуктивной тратой времени и средств.

При этом в оборудовании уже с момента монтажа начинают формироваться зоны концентрации напряжений, где опережающими темпами развиваются и накапливаются усталостные изменения металла. Их никто и никак не ищет, потому что нет необходимого инструментального обеспечения, а также потому, что нормативно в современной диагностике здесь предусмотрена только дефектоскопия. Отсюда и проистекают аварии гражданских и производственных сооружений, несмотря на все возрастающие объемы диагностики.

Любая конструкция или узел при эксплуатации нагружаются неравномерно. Всегда существуют области концентрации нагружений и напряжений. Усталостные дефекты в таких зонах-концентраторах обязательно появятся как неизбежный и естественный результат их развития в процессе эксплуатации. Размеры таких зон много больше самих размеров возможных усталостных дефектов. Точное местонахождение и время появления дефектов в таких зонах носит относительно случайный характер, тогда как местонахождение самих зон-концентраторов в правильно сконструированной, изготовленной и эксплуатируемой конструкции логически строго предопределено. Поэтому вероятность обнаружения местоположения усталостных зон-концентраторов, как правило, близка к единице, т. к. для специалиста никакой неопределенности здесь фактически нет. Однако вероятность обнаружения дефекта даже в очерченной области, например, при ручном ультразвуковом контроле лишь иногда превышает величину 0,5. Противоречие между дефектоскопическим содержанием современной диагностики металлов и все более актуальной необходимостью реального слежения за усталостным состоянием в процессе эксплуатации уже становится непримиримым под давлением требований повышения безопасности.

В попытке решения этого противоречия мы традиционную при стендовых испытаниях диаграмму напряженно-деформированного состояния (в координатах о - е, рис. 2) дополнили параллельно регистрируемой диаграммой измерений магнитной характеристики металла - коэрцитивной силы НС - в зависимости от величины приложенной удельной нагрузки о (коэрцитивная сила в простейшем объяснении - это ширина петли магнитного гистерезиса по магнитной индукции).

Пока металл в процессе эксплуатации вырабатывает свой ресурсный запас от состояния поставки до состояния разрушения, коэрцитивная сила растет от исходного значения НС0 до НСв - величины НС при нагружении на пределе прочности ов, рис. 3. Очень важно, что когда напряжение по величине превышает предел текучести о0,2, т. е. когда металл переходит из области упругих (обратимых) деформаций в упруго-пластическую область, величина НС резко и необратимо растет. Величины НС0, НС0,2 и НСв по сути являются такими же характеристиками для каждой марки металла, как и классические механические характеристики о0,2 и ов из справочника по сталям. Разница НСв - НС0 = ДНС = R объективно характеризует начальный ресурс металла контролируемой области. Этот ресурс можно исчерпать однократным запредельным нагружением, а можно вырабатывать постепенно в расчетном эксплуатационном режиме работы. Величина НС точно отражает отработанный ресурс по разнице НС Н„„ = R а величина НСв - НСтек = R С С ост объективно характеризует оставшийся ресурс.

Прирост величины коэрцитивной силы при нагружении металла от исходного состояния поставки НС0 и до состояния разрушения НСв составляет 100 + 400 % в зависимости от марки конструкционной стали. Немаловажно здесь и то, что, если металл при нагружении испытал хотя бы однократное воздействие, превышающее значение о0,2, текущее значение его величины НС уже никогда не вернется к исходному значению НС0, а перейдет в новое исходное состояние НСтек. Это значение будет тем больше, чем более высокую перегрузку сверх паспортной величины о0,2 претерпел металл в данной зоне контроля или чем выше уровень накопленной усталости металла.

Этот выявленный нами природный физический потенциал - высокую чувствительность коэрцитивной силы к усталостным изменениям в металле -удалось подкрепить столь же эффективной приборной реализацией в виде магнитного структуроскопа-коэрцитиметра - легкого и компактного, с автономным питанием, не нуждающегося в контактной жидкости и специальной подготовке поверхности (измерения проводятся непосредственно через краску или другой слой защитного покрытия толщиной до 6 мм и вне зависимости от кривизны поверхности контроля). Прибор выполняет контроль при любых реальных природных температурах окружающей среды, запоминает численные результаты измерений и отображает на дисплее в цвете степень деградации металла по принципу «чем хуже, тем краснее», как показано на рис. 5. В приборе используется измерительный преобразователь в виде приставного П-образного электромагнита с магниточувствительным элементом - датчиком Холла.

Прибор вычисляет два значения -среднее, НСср, и средний разброс около среднего ДНСср для данной зоны контроля. Они однозначно характеризуют уровень деградации контролируемой области (или всего объекта в целом), причем уже в виде конкретных чисел. Чем выше уровень усталостных изменений, тем эти оба числа больше. Тем самым такую, казалось бы, до сих пор абстрактную характеристику, как усталость металла, удалось выразить в числовых значениях (рис. 5). Таким образом, ведение систематического коэрцитиметрического контроля в течение всего срока службы изделия, подкрепленное динамикой роста этих численных характеристик и диаграммами распределения степени накопленной усталости в зонах концентрации напряжений, превращает диагностику усталости в документируемую строгую и ответственную процедуру. Контроль может быть реализован как в ручном варианте, так и на основе автономных стационарных систем автоматического слежения, которые имеют смысл для объектов, где стоимость последствий аварии делает такую систему мониторинга, как более дорогую, экономически целесообразной (корпус атомного реактора или корабля, кожух доменной печи, ферма мостового перехода и т. д.). Или же когда имеют место быстрые и непредсказуемые изменения состояния металла, требующие для их понимания непрерывного слежения.

В качестве практического примера на рис. 5 приведены результаты коэрцити-метрического контроля куполов воздухонагревателей доменной печи сваренных из листов широко используемой стали 09Г2С толщиной 20 и 30 мм. После аварийного разрушения одного из четырех воздухонагревателей возникла необходимость уточнения реального состояния трех оставшихся для определения степени потери работоспособности всего доменного комплекса, а также для прояснения возможных причин случившейся аварии. Речь идет об экспертизе сооружения, почти не уступающего по размерам самой доменной печи. Нормативной основой при этом был СНГ-стандарт ГОСТ 30415-96, а также РД ИКЦ «КРАН» 009-99 «Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса сосудов, работающих под давлением, при проведении экспертизы промышленной безопасности». По результатам выполненной коэрцитиметрии на рис. 5 четко видны (в красном цвете) усталостные изменения металла, причем такой степени, которая эквивалентна стендовому нагружению на пределе прочности, т. е. фактически состоянию разрушения. Металл здесь полностью исчерпал исходный запас пластичности, новое разрушение могло произойти в любой момент. А ультразвуковая дефектоскопия в рамках данного обследования в этих же зонах ничего тревожного не показала. Из-за жесткой деформационной закрепощенности металла в конструкциях куполов процесс его усталостной деградации даже такой крайней степени не сопровождался выраженным процессом образования усталостных дефектов.

Дополнительным свидетельством эффективности коэрцитиметрии здесь оказался установленный лишь только с ее помощью факт, что на всех трех оставшихся в работе после аварии куполах металл находился в крайней степени деградации в одних и тех же зонах куполов и даже в одних и тех же листах, с которых, кстати, и началось разрушение одного из куполов накануне. Тем самым коэрцитиметрия, кроме констатации недопустимого текущего состояния отдельных листов проверенных куполов, убедительно свидетельствовала также о явном конструкционном недостатке, когда отдельные области купола испытывают непредвиденные сверхнормативные перегрузки. Температурный фактор деградации металла здесь не влиял, что также хорошо видно из полученных результатов измерений. Эта информация помогла уточнить причины аварии, уберегла от напрасных обвинений обслуживающий персонал, а также позволила провести неотложную и точную ремонтную замену листов с крайней степенью усталости металла, чем предотвратила неизбежные новые разрушения, которые бы уже неминуемо вызвали длительную остановку доменной печи. Характерно, что проводимая ранее систематическая ежегодная дефектоскопия «не видела» никаких дефектов в хорошо видимых на рис. 5 усталостных зонах (ни в сварных швах, ни в основном металле). Значения НСср и Сср ДНСср определены для сопрягающей части конструкции куполов, как наиболее проблемной. Эти значения наглядно указывают на лучший и худший купола по степени деградации метала. Такая четкая количественная оценка степени усталости, как локальной, так и интегральной, позволила назначить и правильную очередность проведения неотложных ремонтных работ.

Принимая во внимание, что в каждой точке измерения коэрцитивной силы, рис. 5, мы имеем интегральную оценку состояния металла на всю толщину контролируемой оболочки, в итоге получаем по сути магнитную томограмму усталостного и напряженно-деформированного состояния. При некоторой модернизации коэрцитиметра вполне осуществимо и послойное зондирование. Всего на каждом куполе из-за полной априорной неопределенности особенностей напряжений было выполнено около двух тысяч измерений коэрцитивной силы. После прояснения картины распределения напряжений и зон деградации достаточно контролировать около 50 точек купола для уточнения текущего состояния и динамики процессов накопления усталости.



Просмотров: 6677

Дата: Понедельник, 26 Ноября 2012

Новости