Способ прогноза остаточного ресурса металла горношахтного оборудования

 

Изобретение относится к методикам определения остаточного ресурса металлических конструкций. Способ прогноза остаточного ресурса металла горношахтного оборудования неразрушающим контролем отклика акустоэмиссионного излучения включает в себя ввод в исследуемую среду излучения и съем амплитудно-частотного спектра с последующей узкополосовой его фильтрацией для выделения и анализа составляющих спектра испускания. При этом по физико-механическим свойствам исходного металла определяют эталонную циклическую трещиностойкость и деградированную циклическую трещиностойкость, в том числе и соответствующие им продольные скорости звука, а на момент замера смещения частотных резонансов в шести диапазонах также рассчитывают промежуточную циклическую трещиностойкость и соответствующую ей продольную скорость звука, по которой, в свою очередь, расчетным путем определяют прогнозируемое значение остаточного ресурса. Причем по соотношению между тремя углами трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей, отражающих соответствующие релаксационные частоты на момент замера смещения частотных резонансов, могут устанавливать наиболее выраженные причины деградации металла, замеры преимущественно производят с шагом 0,1 м. Данное изобретение направлено на повышение точности, достоверности и скорости оценки прогнозируемого значения остаточного ресурса при неразрушающем контроле. 2 з. п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано при контроле качества, изменения структурно-фазовых состояний и физико-механических параметров материалов и элементов конструкций. Однако преимущественно изобретение предназначено для прогноза остаточного ресурса металла, например горношахтного оборудования на основе определения не только качественного и количественного его состава, но и механических свойств.

Известен способ прогноза остаточного ресурса металла горношахтного оборудования неразрушающим контролем оклика акустоэмиссионного излучения, включающий ввод в исследуемую среду излучения и съем амплитудно-частотного спектра с последующей узкополосовой его фильтрацией для выделения и анализа максимальных амплитуд динамического диапазона в октавах (патент РФ 2141654, G 01 N 29/14, Бюл. 32, 1999). Недостатком этого способа является слабая помехозащищенность амплитуд динамического диапазона.

Наиболее близким к изобретению является способ прогноза остаточного ресурса металла горношахтного оборудования неразрушающим контролем отклика акустоэмиссионного излучения, включающий ввод в исследуемую среду излучения и съем амплитудно-частотного спектра с последующей узкополосовой фильтрацией для выделения и анализа из составляющих спектра испускания диапазона частот сдвига-отрыва и смещения в нем резонанса (патент РФ 2112235, G 01 N 29/14, Бюл. 15, 1998). Недостатком способа является, например, размытость амплитуды и частоты деградации сдвига-отрыва, что существенно снижает точность прогноза остаточного ресурса. Иными словами, несмотря на высокий технический уровень упомянутого метода, его точность и достоверность для прогнозирования остаточного ресурса недостаточны, так как для этого нужно знать границы всех диапазонов частотного спектра акустоэмиссионного излучения для установления в них величины смещения частотного резонанса.

Задача изобретения - повышение точности, достоверности и скорости оценки прогноза остаточного ресурса при неразрушающем контроле.

Эта задача решается способом прогноза остаточного ресурса металла горношахтного оборудования неразрушающим контролем принудительного отклика акустоэмиссионного излучения, включающим ввод в исследуемую среду излучения и съем амплитудно-частотного спектра с последующей узкополосовой фильтрацией для выделения и анализа составляющих спектра испускания, при котором, согласно изобретению, по физико-механическим свойствам исходного металла определяют эталонную циклическую трещиностойкость К_1с-f.э, деградированную циклическую трещиностойкость K_1c-f.д в том числе и соответствующие им продольные скорости звука, а на момент T_i замера смещения частотных резонансов в шести диапазонах f_мв=4,205-4,513 Гц, f_мс=17,846-50,200 Гц, f_мр=81,953-433,890 Гц, f_сд-о= 1,901-2,674 кГц, f_узк-сз=19,069-62,745 кГц и f_свч-м=1,532-1,978 ГГц рассчитывают промежуточную циклическую трещиностойкость К_lс-f.i и соответствующую ей продольную скорость звука С^* _L-i, которую определяют из отношения где ∂n^*_i - ширина зоны пластического стеснения при плоском напряженном состоянии на момент замера; ρ_оп - объемная плотность металла; f_сд-о.i - резонансная частота сдвига-отрыва диапазона 1,901-2,674 кГц, определяемая на момент замера Т_i; l_пн-i - периметр поверхностного натяжения при плоской деформации; Т^* _э.90-i - вектор интенсивности тензора разрушающего напряжения из эллипсоида интенсивности напряжений, отражающий совокупность вектора шарового тензора гидростатического давления и вектора девиатора напряжений на момент замера Т_i; ∂V^*_i - коэффициент скорости деформации на момент замера Т_i, а прогноз остаточного ресурса определяют из соотношения ΔT_п=T_i(K_1c-f.i-K_1c-f.д)/(K_1c-f.э-K_1c-f.i). (2) При этом устанавливают соотношения между тремя углами трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей: ρ^*_мр, ρ^*_мс и ρ^*_мв, отражающих соответствующие релаксационные частоты: f_мр, f_мс и f_мв на момент замера смещения частотных резонансов в Т_i, определяя наиболее выраженные причины деградации металла, а именно:
- при ρ^*_мр-i>ρ^*_мс-i>ρ^*_мв-i - из-за жесткого нагружения;
- при ρ^*_мр-i<ρ^*_мс-i<ρ^*_мв-i - из-за малоцикловой усталости;
- при прочих соотношениях: из-за коррозии под нагрузкой.

Замеры согласно предлагаемому способу производят с шагом 0,1 м.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Исходя из сертификата качества металла, берут эталонные величины его физико-механических свойств:
σ_B - временный предел прочности при растяжении;
σ_T - предел текучести;
δ_уд - относительное удлинение;
Ψ_су - относительное сужение;
Е_д - модуль динамической упругости;
Р_оп - объемную плотность.

По известным соотношениям определяют все остальные эталонные физико-механические свойства, в том числе спектральную плотность освобождаемой энергии в устье усталостной трещины: I_1c-f, трещиностойкость K_1c-f, а также шесть наиболее информативных резонансных частот: f_мв в диапазоне: 4,205-4,513 Гц; f_мс в диапазоне 17,846-50,2 Гц; f_мр в диапазоне 81,953-433,89 Гц; f_cд-0 в диапазоне 1,901-7,674 кГц; f_узк-сз в диапазоне 19,069-62,745 кГц и f_свч-м в диапазоне 1,53275-1,97882 ГГц. Используя соотношения Г.М. Авчяна для определения поперечной скорости звука С^* _S-э=0,637• С^* _L-э в связи с тем, что на момент полной деградации металла продольная эталонная скорость звука С^* _L-э становится равной поперечной скорости звука, то есть C^* _L-д=С^* _S-э, производят определение аналогичных физико-механических свойств только для полностью деградированного металла. При этом принимается в расчет, что угол трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей ρ^* равен 45^o, когда возникает квази-хрупкое отрывное течение по А. Надои.

Замеры величин смещения резонансных частот в шести наиболее информативных частотных диапазонах излучения акустоэмиссионного отклика позволяют без трудоемких процессов, требующих специальной подготовки поверхности для синхронных замеров фактической продольной скорости звука, определить указанную скорость из соотношения (1).

При прогнозе остаточного ресурса металла горношахтного оборудования неразрушающим контролем отклика акустоэмиссионного излучения анализируются величины смещения резонансных частот к более низким резонансным частотам при относительно максимальных амплитудах. А именно: в диапазоне СВЧ-колебаний, модулированных релаксационной частотой скольжения краевых дислокаций f_мр, определяющих жесткость нагружения; в ультразвуковом диапазоне колебаний, модулированных релаксационной частотой скольжения винтовых дислокаций f_мc, что определяет коррозионное разрушение; а также в диапазоне накопления деформаций усталости (то есть частот сдвига-отрыва, модулированных релаксационной инфрачастотой _мв и определяющих квази-хрупкое вихревое течение при малоцикловой усталости.

Смещение резонансов в указанных парах к своим деградационным уровням на момент замеров определяют пакеты циклических воздействий на металл горношахтного оборудования. В предположении повторов аналогичных пакетов циклических воздействий, базируясь на эталонных и деградированных физико-механических параметрах производится упомянутый прогноз остаточного ресурса (ΔТ_п) по приведенной формуле в каждой точке сканирования, так как из соотношения (1) одновременно при сканировании с шагом 0,1 м определяется на момент замера отклика акустоэмиссионного спектра излучения величина фактической продольной звуковой скорости в данной точке металлоконструкции.

При прогнозе остаточного ресурса анализируется также интенсивность смещения резонансных частот между указанными парами через соответствующие им углы трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей, что позволяет не только производить прогноз остаточного ресурса, но и определять наиболее выраженную причину деградации металла: жесткое нагружение, коррозию под нагрузкой или малоцикловую усталость.

Для пояснения прилагается таблица соотношений частот в шести информативных диапазонах с основными расчетными коэффициентами, в том числе и с углом (ρ^*) трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей.

Способ позволяет получить корректный прогноз остаточного ресурса для всех элементов металлоконструкций.

Формула изобретения

1. Способ прогноза остаточного ресурса металла горношахтного оборудования неразрушающим контролем отклика акустоэмиссионного излучения, включающий ввод в исследуемую среду излучения и съем амплитудно-частотного спектра с последующей узкополосовой его фильтрацией для выделения и анализа составляющих спектра испускания, отличающийся тем, что по физико-механическим свойствам исходного металла определяют эталонную циклическую трещиностойкость К_1c-f.э., деградированную циклическую трещиностойкость K_1c-f.д., в том числе и соответствующие им продольные скорости звука, а на момент Т_i замера смещения частотных резонансов в шести диапазонах f_мв=4,205-4,513 Гц; f_мс=17,846-50,2 Гц; f_мр=81,953-433,890 Гц; f_сд-о=1,901-2,674 кГц; f_узк-сз=19,069-62,745 кГц и f_свч-м=1,532-1,978 ГГц и рассчитывают промежуточную циклическую трещиностойкость К_1c-f.i и соответствующую ей продольную скорость звука С^*_L-i, которую определяют из отношения

C^*_L-i=[143,192·K²_1c-f.i·∂n^*_i/ρ²_оn·f_cд-o.i·l_nн-i·T^*_з.90-i·К^*_мм-i·∂V^*_i]^1/2 (м/с),

где ∂n^*_i - ширина зоны пластического стеснения при плоском напряженном состоянии на момент замера;

ρ_оn - объемная плотность металла;

f_cд-o.i - резонансная частота сдвига-отрыва диапазона 1,901-2,674 кГц, определяемая на момент замера Т;

l_nн-i - периметр поверхностного натяжения при плоской деформации;

T^*_з.90-i - вектор интенсивности тензора разрушающего напряжения из эллипсоида интенсивности напряжений, отражающий совокупность вектора шарового тензора гидростатического давления и вектора девиатора напряжений на момент замера Т_i;

∂V^*_i - коэффициент скорости деформации на момент замера Т_i,

а прогноз остаточного ресурса определяют из соотношения

_ΔТ_n=T_i(K_1c-f.i-К_1c-f.д)/(K_1c-f.э-K_1c-f.i).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что по соотношению между тремя углами трения структурных неоднородностей естественных шероховатостей ρ^*_мр, ρ^*_мс, ρ^*_мв, отражающих соответствующие релаксационные частоты f_мр, f_мc, f_мв на момент Т_i замера смещения частотных резонансов, устанавливают наиболее выраженные причины деградации металла, а именно: при ρ^*_мр-i>ρ^*_мс-i>ρ^*_мв-i из-за жесткого нагружения, - при ρ^*_мр-i<ρ^*_мc-i<ρ^*_мв-i из-за малоцикловой усталости, при прочих соотношениях из-за коррозии под нагрузкой.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что замеры производят с шагом 0,1 м.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2