Способ неразрушающего контроля прочности металлоконструкций



Способ неразрушающего контроля прочности металлоконструкций

 


Владельцы патента RU 2445616:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" (ФГБОУ ВПО "СПбГПУ") (RU)

Использование: для диагностики состояния металлоконструкций подъемно-транспортных машин. Сущность: заключается в том, что нагружают металлоконструкцию и регистрируют число импульсов акустической эмиссии и их амплитуды, определяют параметр состояния материала контролируемой металлоконструкции YAE и рассчитывают величину диагностического параметра YR, затем величину YAE сравнивают с величиной YR для определения степени опасности источника импульсов акустической эмиссии, при этом металлоконструкцию нагружают как минимум два раза, повышая нагрузки при соблюдении условия Pi≥Q, где Q - номинальная допускаемая нагрузка металлоконструкции, после каждого нагружения поднимают испытательный груз с помощью металлоконструкции на 100-200 мм от земли и удерживают его ≥10 мин, определяют по соответствующим математическим выражениям YAE, коэффициент снижения предела выносливости КПР.В, коэффициент запаса выносливости, исходный ресурс, после чего находят остаточный ресурс металлоконструкции Nост и делают вывод о дальнейшем использовании металлоконструкции. Технический результат: повышение точности акустико-эмиссионного контроля сложных металлоконструкций. 1 ил.

 

Изобретение относится к акустическим методам неразрушающего контроля прочности и предназначено для диагностики состояния металлоконструкций подъемно-транспортных машин. Изобретение может применяться в машиностроении, строительстве.

Известен способ неразрушающей оценки прочности композитных материалов и изделий из них [Носов В.В., Носов С.В. Акустико-эмиссионный критерий прочности композитных материалов. // Известия ВУЗов. Машиностроение. - 1989. - №9, с.25-29]. Способ включает равномерное нагружение диагностируемого изделия, регистрацию при этом числа N импульсов акустической эмиссии (АЭ) и прекращение нагружения в момент выхода временной зависимости натурального логарифма InN числа импульсов АЭ на прямолинейный участок, определение углового коэффициента InN=dlnN/dt (тангенса угла наклона) этого участка и расчет по его значению разрушающей нагрузки на изделие. Недостатком способа является невысокая точность акустико-эмиссионного контроля изделия из-за применения расчетов параметров.

Известен способ неразрушающей оценки прочности корпусов двигателей, выполненных из композитных материалов [Носов В.В., Потапов А.И. Оценка прочности корпусных изделий при их гидроиспытаниях по результатам регистрации сигналов акустической эмиссии. // Дефектоскопия. - 1998, №5, с.99-107]. Способ включает ступенчатое гидронагружение корпуса путем непрерывного подъема давления в корпусе до уровня F1, выдержка в течение времени t1, подъем давления до второго уровня F2, выдержка в течение времени t2 и так далее до заданного максимального уровня давления. В ходе испытаний проводят регистрацию числа N импульсов АЭ. По результатам АЭ испытаний строят графики временных зависимостей числа импульсов АЭ при различных уровнях давления, в которых выделяют участки, близкие к прямолинейным, определяют угловые коэффициенты и этих участков. Определяют параметр состояния материала диагностируемого изделия YAE. Значение разрушающей нагрузки Fp сравнивают с рабочей нагрузкой на диагностируемое изделие. На основе этого сравнения делают вывод о состоянии диагностируемого изделия. К недостаткам способа можно отнести отсутствие учета нестабильности распределения амплитуд импульсов АЭ, получаемых в ходе испытаний изделия, отсутствие четкой классификации степени опасности выявленных в ходе контроля источников импульсов АЭ, что может привести к недооценке опасности дефекта изделия, которая может способствовать преждевременному выходу из строя изделия.

Наиболее близким, выбранным за прототип, является «Способ неразрушающего контроля прочности изделий» [патент РФ №2270444]. В способе равномерно или ступенчато равномерно нагружают изделие и регистрируют число импульсов акустической эмиссии и их амплитуды в процессе нагружения, определяют суммарную амплитуду ζ, импульсов АЭ, находят отношение логарифмов суммарных амплитуд в заданные моменты времени ti, tj, определяют закон распределения числа импульсов АЭ по амплитудам с одновременным определением номинальных напряжений σi, σj в контролируемой зоне изделия в моменты времени ti, tj соответственно, по результатам испытаний определяют параметр состояния материала контролируемого изделия YAE по формуле:

YAE=[ln(ζji)+ln(kAEi/kAEj)]/[σji],

и рассчитывают величину диагностического параметра YR по формуле:

YR=M/σВ,

где σi, σj - напряжения, действующие в контролируемой зоне изделия в i и j моменты времени соответственно;

ζi, ζj - значения суммарной амплитуды при напряжениях σi и σj соответственно;

kAEi, kAEj - акустико-эмиссионные коэффициенты при напряжениях σi и σj соответственно, их отношение определяют в зависимости от выбранного закона распределения амплитуд импульсов АЭ;

σВ - предел прочности (временное сопротивление) материала контролируемого изделия (справочное);

М - константа материала конструкции и условий ее нагружения, определяют по справочным данным или результатам разрушающих АЭ-испытаний эталонных (бездефектных) образцов,

затем величину YAE сравнивают с величиной YR и определяют степень опасности источника импульсов акустической эмиссии, при YAE≥YR источник импульсов считают опасным.

К недостаткам способа можно отнести неопределенность значений напряжений в контролируемой зоне в случае сложного напряженного состояния металлоконструкций, и как следствие, невысокую точность акустико-эмиссионного контроля изделия.

Задачей изобретения является повышение точности акустико-эмиссионного контроля сложных металлоконструкций, в частности металлоконструкций подъемно-транспортных машин, выявление развивающихся и склонных к развитию дефектов, проявляющихся в процессе изменения нагрузки, определение пригодности металлоконструкции к дальнейшему использованию или необходимости проведения ремонта или замены данной металлоконструкции.

Предложен способ неразрушающего контроля прочности металлоконструкции, в процессе которого металлоконструкцию нагружают как минимум два раза, повышая нагрузки при соблюдении условия Pi≥Q, где Q - номинальная допускаемая нагрузка металлоконструкции. После каждого нагружения поднимают испытательный груз с помощью металлоконструкции на 100-200 мм от земли и удерживают его ≥10 мин, для регистрации сигналов АЭ, информативных относительно состояния материала контролируемой металлоконструкции, в процессе чего регистрируют число импульсов акустической эмиссии и их амплитуды, определяют параметр состояния материала контролируемой металлоконструкции YAE по формуле:

где [S] - нормативный коэффициент запаса прочности, ΔK=KJ-KI - разница коэффициентов нагрузки, KJ, KI - коэффициенты нагрузки, KJ=PJРАБ≥1,25, KI=PIРАБ≥1, РРАБ - рабочая нагрузка, ξi, ξj - значения информативного АЭ-параметра при нагрузках Pi и PJ соответственно, kAEi, kAEj - акустико-эмиссионные коэффициенты при напряжениях возникающих при PI и PJ соответственно. В качестве информативного параметра ξ используют число N импульсов АЭ или суммарную амплитуду сигналов АЭ, накопленных на этапе однородного разрушения во время выдержки под нагрузками величиной Pi, и Pj.

Отношение kAEi/kAEj определяется, в зависимости от выбранного закона распределения амплитуд импульсов АЭ

При отсутствии мультипликативных помех АЭ-регистрации, и неопределенности номинальных напряжений оценку YAE производят по формуле:

Рассчитывают величину диагностического параметра YR

где MAE - константа материала конструкции и условий ее нагружения, определяют по справочным данным или результатам разрушающих АЭ-испытаний эталонных (бездефектных) образцов.

Затем величину YAE сравнивают с величиной YR для определения степени опасности источника импульсов акустической эмиссии.

Если YAE≤0, то данный источник сигналов АЭ классифицируют как неактивный, дефект не является опасным, состояние конструкции работоспособно (коэффициент запаса статической прочности S более 4 по долговечности. При 0<YAE≤YR источник сигналов АЭ является активным, дефект не опасен, значения коэффициента запаса прочности попадают в диапазон [S]<S<4, где [S] - нормативный коэффициент запаса статической прочности ([S]=2-4), при YAE>YR источник сигналов АЭ принимается критически активным, дефект признается опасным, работоспособность металлоконструкции - ограниченной нагрузки на диагностируемый объект должны быть снижены не менее, чем в YAE/YR раз. При YAE>[S]YR ([S] - нормативный коэффициент запаса прочности) источник импульсов АЭ классифицируется как катастрофически активный, дефект и состояние изделия признаются опасными, металлоконструкции неработоспособно [патент РФ №2270444].

После определения степени опасности источника импульсов акустической эмиссии определяют коэффициент снижения предела выносливости КПР.В [Носов В.В., Потапов А.И., Бураков И.Н. Оценка прочности и ресурса тех.объектов с помощью метода акустической эмиссии. // Дефектоскопия. - 2009, №2, с.58-66].

где σR, σRD - пределы выносливости эталонного и контролируемого образцов.

Определяют коэффициент запаса выносливости по формуле:

Затем определяют исходный ресурс (время до образования трещины) NC=NB/exp(YAEσв/[S]), где NB - константа материала и вида сварного соединения, температуры и частоты σN его нагружения [Носов В.В., Потапов А.И., Бураков И.Н. Оценка прочности и ресурса тех.объектов с помощью метода акустической эмиссии. Дефектоскопия. - 2009, №2, с.58-66]).

Величину NB можно определить по формуле

,

где NG=2·106 - число циклов, соответствующих перегибу кривой усталости, σR - предел выносливости при заданном коэффициенте асимметрии цикла рабочих напряжений, m - показатель степени кривой усталости. Находят остаточный ресурс металлоконструкции Nост

NC=NB/exp(YAEσв/[S])-NПР

где NПРNtПР - фактическое число циклов нагружения, tПР - фактически (предварительно) отработанный ресурс, ωN - частота циклов нагружения.

Делают окончательный вывод о дальнейшем использовании металлоконструкции.

Многократное нагружение металлоконструкций позволяет из соотношения нагрузок определять величину YAE, что является более точным параметром. С помощью YAE определяют показатели прочности металлоконструкций, которые позволяют сделать вывод о пригодности металлоконструкций к дальнейшему использованию.

Повышение нагрузки обусловлено необходимостью расчета диагностического параметра YAE. Высота подъема 100-200 мм от земли - это минимальная высота, необходимая для обеспечения отсутствия контакта груза и поверхности, над которой поднимают груз. Максимальная высота поднятии груза ограничена с точки зрения безопасности для персонала и удобства самого эксперимента. Время выдерживания груза ≥10 мин - необходимое время для предотвращения регистрации лишних шумов состояния материала контролируемой металлоконструкции.

Для испытания способа были проведены подготовительные работы (Фиг.1): металлоконструкцию 1 подсоединили к механизму подъема груза 2, после чего нагрузили грузом 3, предварительно установив, преобразователи АЭ (ПАЭ) 4 для регистрации числа импульсов акустической эмиссии и их амплитуд. В процессе учитывают критические места («горячие точки») металлоконструкции, сварные швы, зоны высоких напряжений, зоны, подвергнутые ремонту, и т.д. - нахлесточное сварное соединение 5. Координаты источников акустической эмиссии вычисляют по разнице времен прихода (ВРП) сигналов на преобразователи, расположенные на объекте.

Металлоконструкцию нагрузили два раза, повышая нагрузки при соблюдении условия Pi≥Q, где Q=1400 кг - номинальная допускаемая нагрузка металлоконструкции, после каждого нагружения с помощью металлоконструкции поднимали испытательный груз (Фиг.1:2, 3) на 100, 150 мм и 200 мм от земли и удерживали его 10 мин и 12 мин. Использовали грузы весом 1400 кг, 1750 кг. Материал металлоконструкции Ст 3, для данного материала σb=450 МПа, σr=160 МПа, [S]=4.

Нагрузка при первом нагружении Pi=14000 Н, при втором Pj=17500 H, рабочая нагрузка РРАБ=14000 Н

ΔK=KJ-KI=1.25-1=0.25

Количество зарегистрированных АЭ импульсов при первом нагружении ξi=2, при втором ξj=5, амплитуды соответственно Ucpi=50 дБ, Ucpj=55 дБ.

Для равновероятностного распределения амплитуд импульсов АЭ:

Для данного материала МАЕ=5.5

Т.к. YAE>YR, то данный источник опасности нужно считать критически активным, т.е. металлоконструкция находится в состоянии ограниченной работоспособности.

Коэффициент снижения предела выносливости

Коэффициент запаса выносливости:

исходный ресурс

Число циклов, соответствующих перегибу кривой усталости

NG=2·105

Усредненный показатель степени кривой усталости

m=1.5

Константа материала и вида сварного соединения, температуры и частоты σN его нагружения

Остаточный ресурс металлоконструкции

NОСТ=NB/exp(YAEσв/[S]-NПР=5.283·106

Отработанный ресурс tпр=5 лет=43680 час, частота циклов нагружения ωN=140 циклов/час.

Фактическое число циклов нагружения

NПРNtПР=140·43680=6.115·106

Исходя из значения Nост=5.283·106 и значения частоты циклов нагружения (ωN=140 циклов/час) можно сделать вывод о том, что остаточный ресурс 4 года.

Таким образом, выявление проявляющихся в процессе изменения нагрузки развивающихся и склонных к развитию дефектов повышает точность акустико-эмиссионного контроля металлоконструкции подъемно-транспортных машин. Остаточный ресурс в рассмотренном случае ниже 5 лет и можно сделать вывод о том, что данная металлоконструкция нуждается в срочном ремонте. Кроме того, способ позволяет выявлять недопустимые при эксплуатации грузоподъемных механизмов дефекты (непровар, трещина и т.д.), которые при диагностике локальными методами НК не были выявлены, дает возможность четко определить классы опасности дефекта, выявленных в ходе контроля источников импульсов АЭ и возможность прогнозирования дальнейшего развития дефектов.

Способ неразрушающего контроля прочности металлоконструкции, в процессе которого нагружают металлоконструкцию и регистрируют число импульсов акустической эмиссии и их амплитуды, определяют параметр состояния материала контролируемой металлоконструкции YAE и рассчитывают величину диагностического параметра YR, затем величину YAE сравнивают с величиной YR для определения степени опасности источника импульсов акустической эмиссии, отличающийся тем, что металлоконструкцию нагружают как минимум два раза, повышая нагрузки при соблюдении условия Pi≥Q, где Q - номинальная допускаемая нагрузка металлоконструкции, после каждого нагружения поднимают испытательный груз с помощью металлоконструкции на 100-200 мм от земли и удерживают его ≥10 мин,
YAE определяют по формуле:

где [S] - нормативный коэффициент запаса прочности, ΔK=KJ-KI - разница коэффициентов нагрузки, KJ, KI - коэффициенты нагрузки, KJ=PJРАБ≥1,25, KI=PIРАБ≥1, РРАБ - рабочая нагрузка, ξi, ξj - значения информативного АЭ-параметра при нагрузках Pi и Pj соответственно, kAEi, kAEj - акустико-эмиссионные коэффициенты при напряжениях, возникающих при PI и PJ соответственно,
определяют коэффициент снижения предела выносливости КПР.В и коэффициент запаса выносливости по формуле:

определяют исходный ресурс
NC=NB/exp(YAEσв/[S]),
находят остаточный ресурс металлоконструкции Nост и делают вывод о дальнейшем использовании металлоконструкции.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к акустическим методам неразрушающего контроля прочности и предназначено для определения предела прочности материала испытуемых изделий, может быть применено для обнаружения дефектов материала сосудов давления, трубопроводов и деталей машин.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано для контроля качества сварных швов в процессе сварки методом акустической эмиссии.
Изобретение относится к неразрушающему методу контроля степени износа тележки железнодорожного вагона. .
Изобретение относится к неразрушающему методу контроля железнодорожного пути. .

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для диагностики сосудов, работающих под давлением, методом акустической эмиссии. .

Изобретение относится к акустико-эмиссионной диагностике материалов и конструкций и может быть использовано для линейной локации источников акустической эмиссии (АЭ) с применением одного приемника и повышения достоверности при определении местоположения источников сигналов АЭ при применении известных методов линейной, плоскостной и объемной локации.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля качества сварных швов с использованием метода акустической эмиссии. .

Изобретение относится к контролю состояния строительных конструкций из бетона и железобетона и может быть использовано для мониторинга состояния зданий и сооружений.

Изобретение относится к области испытаний технических систем и предназначено для диагностирования и прогнозирования технического состояния твердотельных конструкций технических систем (1).

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и диагностики металлических деталей и конструкций методом акустической эмиссии и может быть использовано для прогнозирования остаточного ресурса изделий или времени эксплуатации при периодической диагностике их технического состояния

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля и предназначено для одновременного определения стойкости против разрушения по максимальной неразрушающей нагрузке L0 , а также против ползучести изделий из относительно хрупких материалов, находящихся в контакте с поверхностно-активными веществами (ПАВ), в частности из бетона, туфа и других пористых строительных материалов, контактирующих с водой

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для неразрушающего контроля физико-механических характеристик кожи и подобных ей мягких композитов

Изобретение относится к диагностике поверхности катания колесных пар подвижного состава железнодорожного транспорта и метрополитена
Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля строительных материалов, в частности, к средствам неразрушающего контроля, основанного на анализе сигналов акустической эмиссии

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля строительных материалов, в частности к средствам неразрушающего контроля, основанным на анализе сигналов акустической эмиссии

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и предназначено для выявления трещиновидных дефектов в скальных геоматериалах

Изобретение относится к акустико-эмиссионному (АЭ) методу неразрушающего контроля и диагностики и может быть использовано для определения степени опасности развивающихся дефектов, снижающих прочность изделия типа сосуда, аппарата, трубопровода, подъемной машины, мостовой конструкции

Изобретение относится к области контроля технологических процессов, связанных с импрегнированием материалов, в частности пропитка материала жидким реагентом, например в области электротехники (пропитка электродвигателей)
Наверх