Способ определения механических напряжений в стальных конструкциях

Изобретение относится к области оценки технического состояния конструкций и может быть использовано для определения механических напряжений, например, в стальных трубопроводах надземной прокладки. Сущность изобретения состоит в том, что для определения механических напряжений стальных конструкций изготавливают образцы из материала, аналогичного материалу конструкции, которые подвергают деформационному старению различной степени. Определяют анизотропию коэрцитивной силы (АКС) металла образцов (ΔН_с) как разность значений коэрцитивной силы, измеренных поперек и вдоль прилагаемой нагрузки, от величины напряжений в образце. Растягивают образцы. Строят зависимости АКС от приложенных напряжений (σ) для образцов. Аппроксимируют полученные зависимости прямыми и строят график зависимости углового коэффициента прямых (tgα) от коэрцитивной силы образца, измеренной вдоль прикладываемой нагрузки (Н_с ^||). Измеряют коэрцитивную силу металла конструкции вдоль и поперек действия напряжений. По значению коэрцитивной силы, измеренной вдоль действия напряжений, определяют угловой коэффициент прямой, соответствующей текущему состоянию металла конструкции. Вычисляют АКС, по величине которой определяют механические напряжения в стальной конструкции. Технический результат: повышение достоверности определения напряженного состояния стальных конструкций. 3 ил.

 

Изобретение относится к области оценки технического состояния конструкций и может быть использовано для определения механических напряжений, например, в стальных трубопроводах надземной прокладки.

Известен способ измерения механических напряжений в трубопроводах, работающих под давлением, в котором на контрольном образце трубопровода с нулевыми значениями продольных напряжений, в качестве которого выбирают прямолинейный подземный участок трубопровода, измеряют значения параметра магнитного шума, определяют пересчетный коэффициент пропорциональности, регистрируют значение параметра магнитного шума металла трубопровода в месте контроля и по их значениям судят о напряжениях в трубопроводе (Патент РФ №2116635, МПК G 01 L 1/12, G 01 N 27/83. Опубл. 27. 07. 98. Бюлл. №21, С.342).

Недостатком способа является необходимость выбора участка трубопровода с нулевыми продольными напряжениями, что достоверно сделать сложно, т.к. прямолинейность участка не гарантирует нулевые продольные напряжения в металле трубопровода. Указанный недостаток снижает точность измерения напряжений.

Известен способ определения напряженного состояния стальных конструкции (В.Ф.Мужицкий, Б.Е.Попов, Г.Я.Безлюдько. Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса стальных металлоконструкций подъемных сооружений и сосудов, работающих под давлением. Дефектоскопия. - 2001. - №1. - с.38-46).

В известном решении растягивают образец материала, вырезанного из материала, аналогичного материалу конструкции, в процессе растяжения измеряют коэрцитивную силу. Получают зависимость коэрцитивной силы от приложенного напряжения для данного материала. Затем проводят измерения коэрцитивной силы металла конструкции и определяют напряженное состояние с помощью полученной зависимости.

Недостатком способа является большая погрешность определения напряженного состояния, обусловленная разницей начальной (без нагрузки) коэрцитивной силы металла образца и исследуемой конструкции.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ определения механических напряжений в конструкции, взятый нами в качестве прототипа (В.Л.Свирюк, И.В.Грамотник, А.Н.Безруков, О.В.Проровская. Оценка состояния металла кожухов доменных печей и воздухонагревателей методом неразрушающего контроля. // Дефектоскопия. - 2003. - №9. - С.37-43).

В известном способе изготавливают образец из материала, аналогичного материалу конструкции. Растягивают образец и в процессе растяжения измеряют анизотропию коэрцитивной силы (АКС), определяемую как разность значений коэрцитивной силы, измеренных поперек и вдоль прилагаемой нагрузки. Получают зависимость анизотропии коэрцитивной силы от величины напряжений в образце. Далее измеряют анизотропию коэрцитивной силы металла конструкции и определяют величину напряжения с помощью полученной зависимости.

Недостатком способа является большая погрешность измерения вследствие различной величины изменения АКС под действием напряжения для металла образца и исследуемой конструкции, что обусловлено влиянием структурного состояния конкретного металла, например степенью деградации структуры металла в процессе эксплуатации и т.д.

Технической задачей изобретения является повышение точности определения механических напряжений за счет учета структурного состояния металла.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе определения механических напряжений стальных конструкций, включающем изготовление образца из материала, аналогичного материалу конструкции, растяжение образца, получение зависимости анизотропии коэрцитивной силы, определяемой как разность значений коэрцитивной силы, измеренных поперек и вдоль прилагаемой нагрузки, от величины напряжений в образце, измерение анизотропии коэрцитивной силы металла конструкции, определение величины напряжения с помощью полученной зависимости, согласно изобретению, дополнительно изготавливают контрольные образцы, которые подвергают деформационному старению различной степени, получают зависимости анизотропии коэрцитивной силы от величины напряжений на контрольных образцах, аппроксимируют полученные зависимости прямыми, строят график зависимости углового коэффициента прямых от коэрцитивной силы, измеренной вдоль нагрузки, прикладываемой к контрольным образцам, измеряют анизотропию коэрцитивной силы металла конструкции, в т.ч. коэрцитивную силу вдоль действия нагрузки, с помощью которой по графику определяют угловой коэффициент прямой зависимости анизотропии коэрцитивной силы от напряжений, соответствующей состоянию материала конструкции, по которой определяют величину напряжений в конструкции.

Известно, что коэрцитивная сила зависит от структурного и напряженного состояния металла в точке измерения, причем в упругой области деформаций зависимость АКС от напряжений носит линейный характер. Поэтому зависимость АКС от растягивающих нагрузок, полученную на образцах, можно использовать при измерении на металле, структурное состояние которого соответствует состоянию металла образца, на котором получена зависимость, в противном случае возникает большая погрешность определения напряжений.

Изготовление в предлагаемом способе контрольных образцов различного структурного состояния и получение на них зависимости АКС от напряжений позволяет получить зависимости для различных структурных состояний металла, аппроксимированные в упругой области деформаций прямыми. Характеристикой прямой, проходящей через начало координат, является угловой коэффициент, численно равный тангенсу ее наклона по отношению к оси абсцисс (tgα). Показания коэрцитивной силы металла, измеренные вдоль действующей нагрузки, которые также необходимы для вычисления АКС, зависят от структурного и слабо зависят от наряженного состояния металла. Следовательно, определение зависимости коэрцитивной силы, измеренной вдоль действующей нагрузки от tgα при измерении напряжений в конструкции, позволит определить угловой коэффициент прямой зависимости анизотропии коэрцитивной силы от напряжений, соответствующей состоянию материала конструкции, по которой можно достоверно определить величину напряжений в конструкции.

Заявляемый способ поясняется чертежами. На фиг.1 представлены графики зависимости анизотропии коэрцитивной силы от величины растягивающих напряжений: 1 - образца металла в состоянии поставки; 2 - образца с первой степенью деформационного старения металла; 3 - второй степенью старения и 4 - с третьей степенью.

На фиг.2 представлен график зависимости тангенса угла наклона прямых от коэрцитивной силы, измеренной вдоль нагрузки, прикладываемой к образцам.

На фиг.3. представлен график зависимости АКС от напряжения для исследуемой конструкции, с помощью которой в ней определяют механические напряжения.

При эксплуатации под нагрузкой материал конструкции испытывает изменение физико-механических свойств (временного сопротивления разрыву, предела упругости, предела текучести, коэрцитивной силы).

Изменение механических и магнитных свойств можно воспроизвести путем искусственного деформационного старения в процессе статического растяжения образцов материала, а количественную оценку этих изменений обобщить условным понятием "степень старения".

Способ реализуют следующим образом.

Изготавливают образцы металла из материала в состоянии поставки, аналогичного материалу конструкции, напряженное состояние которой необходимо определить. Металл всех образцов, кроме одного, подвергают деформационному старению. Определяют анизотропию коэрцитивной силы металла образцов (ΔН_с), определяемую как разность значений коэрцитивной силы, измеренных поперек и вдоль прилагаемой нагрузки, от величины напряжений в образце. Растягивают образцы с определенным шагом нагружения до достижения напряжений, составляющих 90% от предела текучести материала, т.е. в том диапазоне напряжений, когда зависимость АКС от напряжений довольно точно аппроксимируется прямой. На каждом шаге нагружения измеряют АКС. Строят зависимости АКС от приложенных напряжений (σ) для образцов. Аппроксимируют полученные зависимости прямыми 1-4 (фиг.1). Для каждой прямой рассчитывают угловой коэффициент (тангенс угла наклона прямой к оси напряжения α) (на фиг. 1 показан α₁ для прямой 1 образца состояния поставки). Строят график зависимости углового коэффициента прямых 1-4 (tgα) от коэрцитивной силы образца, измеренной вдоль прикладываемой нагрузки (Н_c ^||) (фиг.2). Измеряют коэрцитивную силу металла конструкции вдоль и поперек действия напряжений. По значению коэрцитивной силы, измеренной вдоль действия напряжений, определяют угловой коэффициент прямой, соответствующей текущему состоянию металла конструкции (фиг.3). Вычисляют АКС, по величине которой определяют механические напряжения в стальной конструкции.

Пример.

Необходимо определить напряженное состояние трубопроводов надземной технологической обвязки компрессорной станции. Трубопровод выполнен из труб марки стали 17Г1С. Диаметр трубопровода D=720 мм, толщина стенки трубы - δ=16 мм. Устанавливают, что трубопровод может испытывать только продольные (осевые) напряжения при отсутствии внутреннего давлении газа (Р=0), возникающие от веса труб, запорной арматуры, сезонного движения опор и т.д. Локализуют зоны, в которых возможны высокие продольные растягивающие напряжения, например, определением профиля трубопровода нивелированием. Преимущественно такие зоны расположены в верхней части трубопровода над опорой или в нижней части между опорами.

Из отрезка трубы (D=720 мм; S=16 мм) марки стали 17Г1С изготавливают четыре образца, причем образцы вырезают вдоль трубы. Образцы фрезеровкой доводят до формы параллелепипеда длиной 300 мм, шириной 60 мм, толщиной 5 мм. Отжигают образцы для снятия внутренних напряжений. Три образца подвергают деформационному старению различной степени путем одновременного воздействия пластической деформации 1,0% и температуры 100, 150, 200°С с выдержкой в термошкафу в течении 2 час (по одному образцу для каждой температуры) и получают образцы, степень старения которых 1, 2 и 3, соответственно.

Зажимают каждый из образцов в захватах разрывной машины МР-100, ступенчато с шагом 30 МПа, нагружают до величины 300 МПа (около 90% от предела текучести стали 17Г1С), при этом на каждом шаге нагружения измеряют анизотропию коэрцитивной силы металла в средней части образца.

Строят зависимости АКС (ΔН_с) от растягивающих нагрузок (σ) для каждого образца (фиг.1).

Аппроксимируют полученные зависимости прямыми. Определяют уравнения полученных прямых: ΔН_с=0,0084σ; ΔН_с=0,0099σ; ΔН_с=0,0127σ; ΔНс=0,0154σ соответственно для образца металла состояния поставки, а также 1, 2 и 3 степеней старения.

Строят зависимость углового коэффициента в уравнении прямой (тангенса угла наклона прямой к оси напряжения) от коэрцитивной силы образца, измеренной вдоль действия прикладываемых напряжений при напряжении, равном нулю σ=0 (фиг.2).

Измеряют коэрцитивную силу вдоль действия напряжения Н_c ^|| (вдоль трубопровода) и поперек Н_c ^⊥ в зоне трубопровода с возможными высокими напряжениями. Получают, что Н_с ^||=6,0 А/см, Н_c ^⊥=7,4 А/см, соответственно ΔН_с=7,4-6,0=1,4 А/см. По графику (фиг.2) определяет, что tgα_к=0,014.

По полученному угловому коэффициенту tgα_к строят прямую зависимости ΔН_с=f(σ), соответствующую текущему состоянию металла конструкции (фиг.3), и определяют, что при ΔН_с=1,4 А/см, продольные напряжения равны 100 МПа.

Аналогичные результаты можно получить путем простого вычисления:

σ=ΔН_с/tgα_к=1,4/0,014=100 МПа.

Использование предлагаемого изобретения позволяет достоверно без разрушения определять напряженное состояние стальных конструкций, структурное состояние металла которых от одной точки измерения к другой может значительно меняться.

Определение напряженного состояния, например, трубопроводов, при оценке технического состояния при строительстве или ремонте, делает возможным принятие решения о необходимости их реконструкции, что в целом повышает ресурс, надежность и безопасность работы трубопроводов.

Способ определения механических напряжений стальных конструкций, включающий изготовление образца из материала, аналогичного материалу конструкции, растяжение образца, получение зависимости анизотропии коэрцитивной силы, определяемой как разность значений коэрцитивной силы, измеренных поперек и вдоль прилагаемой нагрузки, от величины напряжений в образце, измерение анизотропии коэрцитивной силы металла конструкции, определение величины напряжения с помощью полученной зависимости, отличающийся тем, что дополнительно изготавливают контрольные образцы, которые подвергают деформационному старению различной степени, получают зависимости анизотропии коэрцитивной силы от величины напряжений на контрольных образцах, аппроксимируют полученные зависимости прямыми, строят график зависимости углового коэффициента прямых от коэрцитивной силы, измеренной вдоль нагрузки, прикладываемой к контрольным образцам, измеряют анизотропию коэрцитивной силы металла конструкции, в том числе коэрцитивную силу вдоль действия нагрузки, с помощью которой по графику определяют угловой коэффициент прямой зависимости анизотропии коэрцитивной силы от напряжений, соответствующей состоянию материала конструкции, по которой определяют величину напряжений в конструкции.