Способ прогноза остаточного ресурса механических систем при неразрушающем анализе отклика акустоэмиссионного излучения

 

Изобретение относится к неразрушающему анализу откликов акусто-эмиссионного излучения в механических системах для прогноза остаточного ресурса деградированного металла и может быть использовано в аэрокосмической, горнодобывающей, газонефтяной и строительной областях. Корректное прогнозирование остаточного ресурса механических систем достигается тем, что анализируют физико-механические свойства исходного эталонного металла: σ_B - временного предела прочности при растяжении, σ_T - предела текучести, ψ_су - относительного сужения, δ_уд - относительного удлинения, ρ_оп - плотность металла, C*_L - продольной скорости звука и C*_S - поперечной скорости звука. Осуществляют совместный анализ изменения акустоэмиссионных частот: резонансной сдвига-отрыва в диапазоне f_cд-о = 1600 - 2500 Гц и релаксационно-модулирующими: f_mp и f_mc в диапазоне 14 - 440 Гц, объединяемых изменением угла трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей в межзеренных протоках металла (стали) ρ^* = 0,5[Arctg(ψ_су/δ_уд)+16°], град., в диапазоне ρ^* = 16 - 50^o, учитывающего деградацию металла, иначе уменьшение величины циклической трещиностойкости: К_1c-f. Отождествляют тем самым указанное изменение ρ^* до 45^o через фиксированное время эксплуатации T_i, когда производится замер откликов акустоэмиссионных частот: f_cд-о, f_mp и f_mc, с характерными амплитудами напряжения сдвига-отрыва τ_сд-о, со временем остаточного ресурса ΔТn. 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к неразрушающему анализу откликов акусто-эмиссионного излучения в механических системах для прогноза остаточного ресурса деградированного металла, оцениваемого величиной трещиностойкости при вязко-циклическом нагружении, и может быть использовано в аэрокосмической, горнодобывающей, газонефтяной и строительной областях.

Известен способ прогноза остаточного ресурса механических систем при неразрушающем анализе, отклика акусто-эмиссионного излучения на несущей частоте сдвига-отрыва в диапазоне 1000-2500 Гц, двумя парами датчиков, расположенных по концам трубопровода. Смотри, например, патент РФ 2138037 по МКИ: G 01 N 29/04, опубликованный в Бюл. 26 от 20.09.99 г.

Недостатком аналога является то, что прогноз остаточного ресурса при выявлении местоположения и конфигурации дефектов ограничен часами. И второе, не учитывает изменяющиеся физико-механические свойства металла в процессе его деградации.

Наиболее близким аналогом является способ прогноза остаточного ресурса механических систем при неразрушающем анализе отклика акусто-эмиссионного излучения, включающий анализ физико-механических свойств исходного, эталонного металла и скорости изменения частот и амплитуд электромагнитной эмиссии при сдвиге-отрыве во времени, а также установление момента полной деградации металла на базе констант прочности и долговечности. Смотри, например, патент РФ 2020476 по МКИ: G 01 N 29/14, опубликованный в Бюл. 18 от 30.09.94 г.

Недостатком прототипа является то, что способ не учитывает искажений, вносимых формой, расположением и плотностью дефектов в металле механических систем. И во вторых, не учитывает вида динамической нагруженности: жесткого, с постоянной деформацией или мягкого, с постоянным напряжением, что увеличивает неопределенность прогноза остаточного ресурса механических систем.

Корректное прогнозирование остаточного ресурса элементов, узлов и самих механических систем не только на часы, но на месяцы и годы достигается тем, что способ прогноза остаточного ресурса при неразрушающем анализе отклика акусто-эмисионного излучения включает анализ физико-механических свойств исходного эталонного металла: σ_в - временного предела прочности при растяжении, σ_т - предела текучести, ψ_су - относительного сужения, δ_уд - относительного удлинения, ρ_оп - плотности металла, C*_L - продольной скорости звука, C*_S - поперечной скорости звука, (C*_S=0.637•C*_L), осуществляется совместным анализом изменения акусто-эмиссионных частот: резонансной сдвига-отрыва в диапазоне f_сд-о = 1600 ÷ 2800 Гц и релаксационно-модулирующих f_мр и f_мс в диапазоне 14 ÷ 440 Гц, объединяемых изменением угла трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей в межзеренных протоках металла (стали) ρ^* = 0,5[Arctg(ψ_су/δ_уд)+16°], град., в диапазоне ρ^* = 16^o ÷ 50^o, учитывающего деградацию металла, иначе уменьшение величины циклической трещиностойкости К_1с-f, и отождествляя тем самым указанное изменение ρ^* до 45^o через фиксированное время эксплуатации Т_i, когда производится замер откликов акусто-эмиссионных частот: f_cд-о; f_мр и f_мс с характерными амплитудами напряжения сдвига-отрыва τ_сд-о, со временем остаточного ресурса ΔТ_п.

Сущность изобретения состоит в том, что постепенная деградация металла из-за накопления остаточных малоцикловых деформаций приводит к смещению отклика фиг. 1 резонансного излучения краев дефектов в сторону уменьшения акусто-эмиссионной резонансной частоты сдвига-отрыва f_сд-о, и модулирующих ее релаксационных частот: f_мр и f_мс, переходящих в инфрачастоту f_мв перед образованием аварийной ситуации. Совместный анализ смещения резонансной частоты сдвига-отрыва и смещения модулирующих релаксационных частот со смещением величины угла трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей в межзеренных протоках, на поверхностях которых адсорбируется влага с рН 6 - 8, позволяет производить корректную оценку остаточного ресурса узлов механических систем неразрушающим методом контроля с учетом вида динамического нагружения: жесткого или мягкого, и к тому же, без искажений, вносимых формой, расположением и плотностью дислокации, двойников и прочих дефектов структуры металла, так как промежуточные экспериментальные значения отражают специфику нагружения данной механической системы за анализируемый период: T_i - Т_о.

Решающее значение в возможности прогноза остаточного ресурса сыграли следующие факторы.

а) Корректировка теоретического угла трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей конденсирующимися парами влаги; б) Процесс кавитационного затупления острой трещины перед зоной пластического стеснения в момент плоской деформации, создающей оптимальную форму уплотнения по Вульфу с минимальной поверхностной энергией, схлопывание которой, а именно полусферического углубления кумулятивной трещины, обеспечивает произвольное диспергирование - тонкое измельчение при спектральной плотности излучаемой энергии, равной по В.М.Берману произведению частоты сдвига отрыва на напряжение сдвига - отрыва.

ω_из = f_сд-о×τ_сд-о,Па/c. По И.М.Абрамовичу, И.И.Блехману, Б.П.Лаврову, Д.А.Плисс - открытие СССР 333 от 14.05.1987 г. дозированное импульсное давление в ритме быстрой вибрации, строго организованной во времени и в пространстве, когда частота более 100 Гц, а напряжение выше предела усталости, обеспечивает взрывную дезинтеграцию в зоне поверхностей скольжения. Это необходимо пояснить следующим. При постоянной плотности металла за счет изменения геометрических параметров и конфигурации конструкции можно менять собственную частоту элементов и самой механической системы в очень широком диапазоне. И при наложении вынужденных колебаний с частотой, равной собственной частоте колебаний системы, система войдет в резонанс. Но разрушение будет происходить в основном за счет разрыва межзеренных связей т.е. по межзеренным протокам, которые являются зачатками различного вида трещин. Таким образом, спектральная плотность излучаемой энергии при малоцикловых деформациях конструкции ω_из.к = f_c•[σ_-01-σ_т] для ее разрушения должна быть не то что тождественна, а существенно больше спектральной плотности поглощения энергии в межзеренных протоках ω_из = f_сд-о×τ_сд-о. Тем более что наряду с развитием усталостных трещин и дефектов при накоплении малоцикловой деформации, в межзеренных протоках из-за миграции фосфора происходит образование пассивиатора Fe₃(PO₄)₂, который оксидируя поверхность металла, тем самым пассивирует и устье трещин пленкой толщиной до 0.1 мм, залечивая их, т.е. тормозя их развитие. Указанное приводит к задержке адсорбции влаги при ее миграции в межзеренное пространство, что уменьшает действие кавитационных взрывов за счет их демпфирования, а тем самым уменьшается и мартенситное бездиффузионное превращение структуры металла в устье трещины. Иначе, для разрушения требуются амплитудно-частотные биения (см. фиг.2), приводящие к истечению феррита и к конгломерации - укрупнению габаритов зерен и к охрупчиванию межзеренных связей с одновременной разориентировкой образующихся зерен феррито-магнитного цементита, а также к образованию фазы СuAl₂.

в) Время остаточного ресурса ΔТ_п в указанном способе анализа, отождествляемое с изменением угла трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей ρ^* в диапазоне от 16^o до 50^o.

г) Расчет коэффициента интенсивности напряжений при вязко-циклическом разрушении К_1с-f, то есть трещиностойкости, так как произведение спектральной плотности освобождаемой энергии в устье усталостной трещины по А.А. Гриффиту - Дж. Р.Ирвину, равное интегралу И.Р.Райса I_1с-f, Дж/м² на модуль динамической упругости E*_д, и на (1-σ²_п)^-1, где σ_п - коэффициент Пуассона, тождественно произведению динамической вязкости μ на спектральную плотность энергии поглощения при накоплении малоциклевой усталости ω_из и на l_пн - периметр поверхностного натяжения при плоской деформации: МПа • м^1/2.

Совокупность признаков позволяет получить корректный прогноз остаточного ресурса элементов, узлов и самих механических систем.

Проведенный поиск по источникам патентной и научно-технической информации показал, что совокупность всех существенных отличительных признаков заявляемого изобретения не известна, следовательно, техническое решение соответствует требованию "Новизна", так как оно не известно из уровня техники.

При определении изобретательского уровня техники поиск информации был осуществлен по указанным источникам: RU 2138037, RU 2020476, RU 2127349...

Необнаруженные известные признаки в совокупности с отличительными признаками заявляемого технического решения соответствует критерию "Изобретательский уровень" из-за существенных отличий.

Возможно достижение высокой степени прогрессивности: прогнозирование остаточного ресурса механических систем не только на часы, но и на месяцы и годы, следовательно, изобретение соответствует критерию "Практическая применимость".

Изобретение поясняется чертежами.

Фиг.1. Графо-аналитический прогноз остаточного ресурса. Обозначения: 1 - остаточный ресурс: ΔТ_п = Т_д - Т_i; 8 - фиксированное время эксплуатации: T_i; 9 - время ресурса механической системы Т_д, от начала эксплуатации до перехода зоны Пэриса с умеренным ростом трещины в зону с ускоренным ростом трещины; 7 - величина вязко-циклической трещиностойкости K_1с-f, отождествляемая с 6 - углом трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей ρ^*; 10 - эталонная величина вязко-циклической трещиностойкости К_1с-f.эт, отождествляемая с 11 - эталонным углом трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей ρ^*_эт; 12 - промежуточная величина вязко-циклической трещиностойкости К_1с-f.i, отождествляемая с 13 - промежуточным углом ρ^*_i; 14 - деградированная величина вязко-циклической трещиностойкости K_1с-f.д, отождествляемая с 15 - деградированным углом ρ^*_д = 45^o.

Фиг. 2. Этапы деградации металла механической системы, отражаемые откликами акусто-эмиссионного излучения в виде биения на частоте сдвига-отрыва и релаксационно-модулирующих частот с характерными амплитудами напряжений сдвига-отрыва в исходной - эталонной точке, в промежуточной точке за фиксированное время эксплуатации и в прогнозируемой точке перед аварией. Обозначения: 2 - пакеты биений акусто-эмиссионного излучения: 16 - эталонного, 17 - промежуточного и 18 - деградированного; 4 - резонансная частота сдвига-отрыва: f_cд-о; 19 эталонная: f_cд-о.эт, то есть до начала эксплуатации, 20 - промежуточная, в момент 8 - фиксированного времени эксплуатации: Т_i, а именно: f_cд-о.i; 21 - деградированная резонансная частота сдвига-отрыва: f_cд-о.д; 5 - релаксационно-модулирующая частота f_м; 22 - эталонная при чисто мягком нагружении f_мр.эт, 23 - промежуточная в момент 8 - фиксированного времени эксплуатации Т_i, а именно: f_мр.i при мягком нагружении; 24 - деградированная релаксационно-модулирующая частота f_мр.д при мягком нагружении.

Фиг.3. Анализ этапов смещения откликов акусто-эмиссионного излучения.

а) Смещение отклика 4 резонансной частоты сдвига-отрыва f_сд-о от 19 - f_cд-о.эт к 20 - f_сд-о.i до 21 - f_cд-о.д соответственно при 11 - ρ^*_эт, 13 - ρ^*_i и 15 - ρ^*_д.

б) Смещение отклика 5 - релаксационно-модулирующей частоты _м при мягком нагружении от 22 - f_м.эт = f_мр.эт к 23 - f_мi = f_мр.i; до 24 - f_м.д = f_мр.д.

в) Смещение 5 - релаксационно-модулирующей частоты f_м при жестком нагружении от 22* - f_м.эт = f_мс.эт к 23* - f_мi = f_мс.i до 24* - f_м.д. = f_мс.д.

Способ прогноза остаточного ресурса ΔТ_п, 1, при неразрушающем анализе отклика акусто-эмисионного излучения 2, включающий анализ физико-механических свойств исходно-эталонного металла 3: σ_в - временного предела прочности при растяжении, σ_т - предела текучести, ψ_су- относительного сужения, δ_уд - относительного удлинения, ρ_оп - плотности металла, C*_L - продольной скорости звука и C*_S - поперечной скорости звука, C*_S = 0,637•C*_L, отличается тем, что осуществляется совместным анализом акусто-эмиссионных частот: резонансной сдвига-отрыва f_сд-о, 4 в диапазоне 1600 ÷ 2800 Гц и релаксационно-модулирующими f_мр, 5 и или f_мс, 5* в диапазоне 14 - 440 Гц, объединяемых изменением угла трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей в межзеренных протоках металла (стали): ρ^* = 0,5[Arctg(ψ_су/δ_уд)+16°],град.,6, в диапазоне ρ^* = 16 ÷ 50^o, учитывающего деградацию металла, иначе уменьшение величины циклической трещиностойкости K_1с-f, 7 и отождествляя тем самым указанное изменение ρ^* до 45^o через фиксированное время эксплуатации Т_i, 8, когда производится замер откликов акусто-эмиссионных частот: f_cд-о.i, 20; f_мр.i, 23; f_мс.i, 23* с характерными амплитудами напряжения сдвига-отрыва: τ_сд-о, со временем остаточного ресурса: ΔТ_п, 1.

Процесс реализации способа прогноза остаточного ресурса: ΔТ_п, 1 - механических систем при неразрушающем анализе отклика акусто-эмиссионного излучения, 2 - пакетов биений амплитудно-частотных колебаний сдвига-отрыва, модулированных релаксационными изменениями системы, производится по нижеприведенному алгоритму при следующих исходных физико-механических свойствах эталонного металла 3: Временном пределе прочности при растяжении: σ_в, МПа Пределе текучести: σ_т, МПа Относительном сужении: ψ_су, % Относительном удлинении: δ_уд, %
Плотности металла: ρ_оп, кг/м. куб
Продольная скорость звука по Берману Ал. Д.:

Поперечная скорость звука по Авчяну Г.М.:
C*_S=0,637•C*_L, м/с
Алгоритм расчета
Угол трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей (для стали) - 6:
ρ^* = 0,5×[Arctg(ψ_су/δ_уд)+16°],град.
Диаметр ядра повышенного давления в плоско-деформированном металле - 25,
σ^* _м, м, - таблица 1 по Берману А.В.

Диаметр ядра повышенного давления при плоско-напряженном состоянии металла - 26,
σ^* _o, м, - таблица 1 по Берману А.В.

Величина коэффициентов Пуассона в момент разрушения по А.Н. Зеленину - 27,
σ^*_п = 0.52
Максимально возможная длина магистральной трещины - 28,
l^* = L_ов = 0,75(1-σ^*_п)(1+σ^*_п),м.
Диаметр круга Мора, определяющий предел прочности на одноосное сжатие - 29,

Величина пластической зоны при плоско-напряженном состоянии - 30,

Максимальный энергетический угол трения по Е.З.Позину - 31,
α^* = 45°+0,5•ρ^*,град.
Вектор сдвига-отрыва при разрушении плоско-деформированного металла под максимальным энергетическим углом - 32,

Вектор интенсивности тензора, разрушающего напряжения из эллипсоида интенсивности напряжения, отражающий совокупность вектора шарового тензора гидростатического давления и вектора девиатора напряжений при угле между ними, равном 90^o, и при угле наклона элементов сдвига-отрыва к
направлению деформации (сжатия, растяжения, кручения, изгиба или их совокупности): ϕ = 90^o, - 33,

Коэффициент вязкости подслоя Кнудсена - 34,
П*_k = 1.0
Коэффициент пограничного слоя, при ϕ = 90^o, - 35
П*_c = 0.5
Вектор скорости при разрушении плоско-деформированного металла под максимальным энергетическим углом, - 36,

Коэффициент скорости деформации при максимальном энергетическом угле, 37,
∂v^* = K^*_v-α•П^*_c•П^*_к.
Коэффициент метаморфизма по Берман Т.И. - 38,

Коэффициент турболизации - 39,
R*_p = 0.5
Динамическая вязкость металла - 40,
μ = 0,499•C^*_L•l^*•ρ_оп,Па.c.
Минимальное напряжение сжатия, обеспечивающее сдвиговые деформации - 41,

Величина минимального напряжения сдвига-отрыва по Берману А.В. - 42,

Максимальный угол поляризации по Берману А.В. - 43,
Z^* = 22,5°+0,25•ρ^*,град.
Минимальный угол поляризации по Берману А.В. - 44,
γ^* = 67,5°-0,25•ρ^*,град.
Диаметр круга Мора, определяющий предел прочности на одноосное сжатие - 45,

Резонансная частота поглощения или излучения энергии сдвига-отрыва - 4 по Гельмгольцу Г.Л., Тейлору Р.T., Берману А.В. - 46,

Спектральная плотность энергии поглощения или излучения при накоплении малоцикловой усталости по Берману В.М. - 47,
ω_из = τ_сд-о•f_сд-о,Пa/c.
Диаметр уплотненного вихря турбулентного слоя в момент максимального раскрытия трещины - 48,
δ^* = σ^* _м•tgz^*•sinz^*/sinγ^*,м.
Периметр поверхностного натяжения плоско-деформированного уплотнения - 49,
l_пн = 0,125•π•δ^*,м.
Циклическая трещиностойкость металла - 7,
.

Скорость дрейфа тепловой энергии - 50,
C^*_др = 2•K^*_V-α,м/c.
Длина трещины при плоской деформации металла в момент деформационного упрочнения по Лейбову Б.М. - 51,
L_мс = σ^*_p,м.

Длина трещины плоско-деформированного металла, определяемая релаксационно-модулирующей частотой - 52,

Релаксационно-модулирующая частота, инициированная ультразвуковыми колебаниями - 23,
f_мр=С*_др/2•L_мр, Гц
Релаксационно-модулирующая частота колебаний в моменты деформационного упрочнения - 23*,
f_мс=С*_др/2•L_мс, Гц
Длина магистральной трещины плоско-деформированного металла (стали), характеризующая релаксационно-модулирующую инфрачастоту по Лейбову Б.М. - 53,
L_мв = σ^*_cж,м.
Релаксационно-модулирующая инфрачастота - 54,
f_мв=C*_др/2•L_мв, Гц
Для промежуточных значений аналогичных параметров используются экспериментальные замеры - 20, f_сд-о.i и, 23 f_мp.i и 23* f_мc.i, получаемые при помощи узкополосного частотомера, работающего в режиме виброметра с интегральным усилителем и последовательно установленным анализатором, а также с датчиком виброускорений, по которым из таблицы определяется угол-13, ρ^*_i и далее расчет ведется по вышеуказанному алгоритму.

При этом разница - 55, Δρ^*_i = (ρ^*_i-ρ^*_эт) отожествляется со сроком фиксированного времени эксплуатации - 8, Т_i ^*, а время остаточного ресурса - 1, ΔТ_п, с разницей - 56, Δρ^*_п = (45°-ρ^*_i).
Зная величины трещиностойкостей: эталонной - 10, K_1с-f.эт промежуточной - 12, К_1с-f.i, деградированной - 14, K_1с-f.д и соответствующие им углы трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей: эталонного - 11, ρ^*_эт, промежуточного - 13, ρ^*_i и деградированного - 15, ρ^*_д = 45^o, делается прогноз остаточного ресурса - 1:
ΔТ_п=T_i•[K_1c-f.i-K_1c-f.д]/[K_1c-f.эт-K_1c-f.i].

Доверительный интервал данного прогнозируемого показателя [ΔТ_п-1 - 57, ΔТ_п-2 - 58] с вероятностью 0.95 определяется величинами остаточного ресурса, рассчитываемыми по релаксационным модулирующим частотам f_мр и f_мс:
ΔT_п-1=T_i•(f_мр.i-f_мр.д)/(f_мр.эт-f_мр.i);
ΔT_п-2=T_i•(f_мс.i-f_мс.д)/(f_мс.эт-f_мс.i).

Формула изобретения

Способ прогноза остаточного ресурса механических систем при неразрушающем анализе отклика акустоэмиссионного излучения, включающий анализ физико-механических свойств исходного эталонного металла: σ_B - временного предела прочности при растяжении, σ_T - предела текучести, ψ_су - относительного сужения, δ_уд - относительного удлинения, ρ_оп - плотность металла, С_L* - продольной скорости звука и C_s* - поперечной скорости звука, отличающийся тем, что осуществляется совместный анализ изменения акустоэмиссионных частот: резонансной сдвига-отрыва в диапазоне f_сд-о = 1600 - 2500 Гц и релаксационно-модулирующими: f_mp и f_mc в диапазоне 14 - 440 Гц, объединяемых изменением угла трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей в межзеренных протоках металла (стали) ρ^* = 0,5[arctg(ψ_су/δ_уд)+16°], град., в диапазоне ρ^* = 16 - 50^o, учитывающего деградацию металла, иначе уменьшение величины циклической трещиностоикости: К_1c-f и отождествляя тем самым указанное изменение ρ^* до 45^o через фиксированное время эксплуатации T_i, когда производится замер откликов акустоэмиссионных частот: f_cд-o, f_mр и f_mc, с характерными амплитудами напряжения сдвига-отрыва τ_сд-о, со временем остаточного ресурса ΔТn.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4