Ультразвуковой способ определения остаточных напряжений в сварных соединениях трубопроводов



Ультразвуковой способ определения остаточных напряжений в сварных соединениях трубопроводов
Ультразвуковой способ определения остаточных напряжений в сварных соединениях трубопроводов
Ультразвуковой способ определения остаточных напряжений в сварных соединениях трубопроводов
Ультразвуковой способ определения остаточных напряжений в сварных соединениях трубопроводов
Ультразвуковой способ определения остаточных напряжений в сварных соединениях трубопроводов
Ультразвуковой способ определения остаточных напряжений в сварных соединениях трубопроводов
Ультразвуковой способ определения остаточных напряжений в сварных соединениях трубопроводов
Ультразвуковой способ определения остаточных напряжений в сварных соединениях трубопроводов
Ультразвуковой способ определения остаточных напряжений в сварных соединениях трубопроводов
Ультразвуковой способ определения остаточных напряжений в сварных соединениях трубопроводов

 


Владельцы патента RU 2598980:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем машиностроения Российской академии наук (RU)

Использование: для определения остаточных механических напряжений в сварных соединениях различных трубопроводов. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют измерение эхо-методом времен распространения продольных и поперечных упругих волн, при этом для оценки напряжений используются коэффициенты Пуассона ν31 и ν32 материала, определяемые через времена распространения продольных и поперечных упругих волн. В зонах трубопровода, где отсутствуют остаточные напряжения, имеет место линейная зависимость между коэффициентами Пуассона ν31 и ν32. Присутствие остаточных сварочных напряжений приводит к отклонению точек {ν31; ν32} от исходной линейной зависимости. По величине отклонения оценивают разность кольцевых и осевых напряжений σ21. Технический результат - определение распределения разности осевого и кольцевого главных напряжений на исследуемом участке трубопровода в режиме, не требующем разгрузки конструкции. Технический результат: обеспечение возможности определения распределения разности осевого и кольцевого главных напряжений на исследуемом участке трубопровода в режиме, не требующем разгрузки конструкции. 3 ил.

 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля конструкционных материалов и может быть использовано для определения остаточных механических напряжений в сварных соединениях трубопроводов.

Известен ультразвуковой способ определения осевых механических напряжений в трубопроводах (Патент РФ 2192634). В исследуемой зоне трубопровода с помощью пьезоэлектрических преобразователей возбуждают ультразвуковые импульсы поперечных волн, поляризованных вдоль и поперек оси трубы, эхо-методом определяют времена задержки этих импульсов t1 и t2, в той же зоне возбуждают ультразвуковые импульсы продольной волны и определяют время задержки t3, затем определяют отношения задержек импульсов поперечных волн к задержке импульса продольной волны d1=t1/t3 и d2=t2/t3. Кольцевое напряжение определяют по формуле

где Р - давление в зоне измерений, D - внутренний диаметр трубопровода, Н - толщина стенки трубопровода.

Измерения проводят при двух значениях давления в трубе, после чего получают математически определенную систему с тремя неизвестными из трех уравнений:

где - неизвестное, осевое механическое напряжение в трубопроводе при первом значении давления, - кольцевое механическое напряжение в трубопроводе при первом значении давления, - кольцевое механическое напряжение в трубопроводе при втором значении давления, K1 и K2 - коэффициенты упругоакустической связи, и - неизвестные, отношения задержек импульсов поперечных волн, поляризованных вдоль и поперек оси трубы соответственно, к задержке импульсов продольных волн в материале трубопровода без напряжений, и - отношения задержек импульсов поперечных волн, поляризованных вдоль и поперек оси трубы соответственно, к задержке импульсов продольных волн в материале трубопровода при первом значении давления, и - отношения задержек импульсов поперечных волн, поляризованных вдоль и поперек оси трубы соответственно, к задержке импульсов продольных волн в материале трубопровода при втором значении давления.

Систему уравнений (2) решают аналитически или численно и определяют осевое механическое напряжение в трубопроводе. Недостатки данного способа заключаются в том, что требуется изменять давление в трубопроводе, кольцевое напряжение считается зависящим только от давления.

Известен способ определения двухосных механических напряжений в трубопроводе (ГОСТ Р 52890-2007. Контроль неразрушающий. Акустический метод контроля напряжений в материале трубопроводов. Общие требования.), заключающийся в том, что эхо-методом на ненагруженном трубопроводе проводят измерения начальных задержек ультразвуковых импульсов поперечных и продольных волн t01, t02 и t03, на нагруженном объекте проводят измерения текущих задержек ультразвуковых импульсов поперечных и продольных волн t1, t2 и t3, с помощью которых вычисляют механические напряжения:

где σ1 - осевое механическое напряжение в трубопроводе, σ2 - кольцевое механическое напряжение в трубопроводе, K1 и K2 - коэффициенты упругоакустической связи.

Недостатком этого способа является необходимость проведения измерений в ненагруженном объекте, то есть реализация способа требует разгружения объекта.

Известен ультразвуковой способ определения остаточных напряжений в объеме обода цельнокатаного колеса (Гост Р 54093-2010. Колеса железнодорожного подвижного состава. Методы определения остаточных напряжений), заключающийся в измерении относительной разности времен распространения поперечных волн. Относительная разность времен распространения поперечных волн, одна из которых поляризована в радиальном, а другая в тангенциальном направлении, прямо пропорциональна разности остаточных напряжений, действующих в этих двух направлениях:

где σтанг и σрад - остаточные напряжения в тангенциальном и радиальном направлениях, tтанг и tpaд - времена распространения поперечных волн, поляризованных в тангенциальном и радиальном направлениях, K - коэффициент упругоакустической связи.

Для получения эпюры распределения остаточных напряжений измерения выполняют в нескольких точках. Данное техническое решение, как наиболее близкое по технической сущности и достигаемому результату, принято за прототип. Недостатком прототипа является то, что при использовании данного способа не учитывается влияние текстуры материала на измеряемые времена распространения поперечных волн, что приводит к значительным погрешностям определения напряжений.

Задачей предлагаемого изобретения является оценка остаточных напряжений в кольцевом сварном соединении трубопровода без проведения разгружения материала. Технический результат - определение распределения разности осевого и кольцевого остаточных напряжений на исследуемом участке трубопровода вблизи сварного стыка в режиме, не требующем разгрузки конструкции. Указанный технический результат достигается тем, что на исследуемом участке трубопровода, прилегающем к кольцевому сварному шву, получают распределения коэффициентов Пуассона ν31 и ν32 вдоль оси трубопровода. Для этого в каждой зоне эхо-методом измеряют времена распространения импульсов продольной волны и поперечных волн, поляризованных вдоль и поперек оси трубы, и рассчитывают значения коэффициентов Пуассона ν31 и ν32 по следующим формулам:

где V1 и V2 - скорости поперечных волн, поляризованных вдоль соответствующих осей ортотропного материала, V3 - скорость продольной волны, t1 и t2 - времена распространения поперечных волн, t3 - время распространения продольной волны.

Коэффициент ν31 характеризует величину деформации в направлении n3 от напряжения σ1, коэффициент ν32 характеризует величину деформации в направлении n3 от напряжения σ2. Для изотропного материала ν3132.

Для ортотропного материала в плоском напряженном состоянии получены следующие зависимости коэффициентов Пуассона ν31 и ν32 от напряжений:

где σ1 и σ2 - соответственно осевое и кольцевое напряжения, ν031 и ν032 - значения коэффициентов Пуассона в материале трубопровода без остаточных напряжений, mij - коэффициенты, выражаемые через упругие модули второго и третьего порядков.

Коэффициенты mij определяют в результате акустомеханических испытаний образцов.

При отсутствии остаточных напряжений в материале между коэффициентами Пуассона ν031 и ν032 существует линейная зависимость:

где B и Q- коэффициенты.

Из системы уравнений (6) с учетом зависимости (7) можно исключить неизвестные величины ν031 и ν032:

Для оценки напряжений может быть использован параметр δν:

Определение коэффициентов с1 и с2 для образцов из трубных сталей 15, 20, 15Г2СФ, 09Г2С показало, что они отличаются знаком и фактически равны по абсолютной величине даже для сильно текстурованного материала с существенной анизотропией упругих свойств. С учетом значений с1 и с2 из (8) и (9) получается простая формула для оценки разности главных напряжений:

где kν - коэффициент. Значения коэффициента kν для исследованных сталей лежат в диапазоне 200÷240 ГПа.

Погрешность оценивается с помощью следующего соотношения:

где Δδν и Δkν - погрешности определения параметра δν и коэффициента kν соответственно.

Предлагаемый способ прошел апробацию в полевых условиях при исследовании остаточных сварочных напряжений в трубе газопровода из стали 09Г2С. В результате ультразвуковых исследований получили распределения коэффициентов Пуассона ν31 и ν32 вдоль оси трубы, фиг. 1. Построили корреляционное поле {ν31; ν32}, фиг. 2. Белые точки на фиг. 1 и фиг. 2 соответствуют зонам, в которых σ1≈0; σ2≈0.

В результате регрессионного анализа получили коэффициенты линейной зависимости, показанной на фиг. 2: B=0.7701, Q=0.0967. Далее для каждой зоны по формуле (9) вычислили параметр δν. Значение разности главных напряжений σ2 - σ1 в каждой зоне оценили по формуле (10) при kν=210±14 ГПа, построили распределение разности остаточных напряжений в трубе, фиг. 3.

Наибольшая абсолютная погрешность составила 34 МПа при значении разности напряжений 262 МПа. Измеренные с помощью ультразвука напряжения являются средними по толщине материала.

Способ определения разности остаточных напряжений в сварном соединении трубопровода, заключающийся в том, что на исследуемом участке трубопровода, где требуется получить распределение остаточных напряжений, в каждой зоне ультразвуковым эхо-методом измеряют времена распространения продольной волны и поперечных волн, поляризованных вдоль и поперек оси трубы, отличающийся тем, что вычисляют коэффициенты Пуассона и где t1 и t2 - времена распространения поперечных волн, t3 - время распространения продольной волны, затем анализируют корреляционное поле коэффициентов Пуассона {v31; v32}, выделяют зоны, где влияние напряжений минимально (σ1≈0; σ2≈0), и в этих зонах определяют зависимость между коэффициентами Пуассона: v032=Bv031+Q, где B и Q - коэффициенты, которые определяют методом наименьших квадратов, далее вычисляют значение параметра δv=v32-Bv31-Q для остальных зон и оценивают разность напряжений в каждой зоне σ21=kvδv, где kv=200÷240 ГПа - коэффициент, далее получают распределение разности напряжений на исследуемом участке трубопровода.



 

Похожие патенты:

Использование: для коррекции позиции дефекта. Сущность изобретения заключается в том, что способ коррекции позиции дефекта включает в себя: генерацию ультразвуковой вибрации на поверхности объекта обследования, к которому присоединена проводящая лента; регистрацию F-эхосигнала и B-эхосигнала ультразвуковой вибрации; выявление псевдодефектов с помощью проводящей ленты на основании обнаруженных значений F-эхосигнала и B-эхосигнала; получение позиционной информации псевдодефектов; получение разности между фрагментами позиционной информации псевдодефектов на основании позиционной информации псевдодефектов; и коррекцию позиционной информации внутренних дефектов на основании разности.

Использование: для контроля качества изготовления и оценки усталостной прочности литых лопаток с направленной кристаллизацией высокотемпературных турбомашин. Сущность изобретения заключается в том, что возбуждают в материале изделия поверхностные ультразвуковые механические импульсы, фиксируют изменение времени прохождения ультразвуковыми механическими волнами определенного расстояния по поверхности изделия и по количеству и местоположению зафиксированных изменений времени распространения определяют количество макрозерен и местоположение границ макрозерен.

Использование: для оценки исчерпания ресурса деталей из металлов и их сплавов. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют установку на поверхность контролируемой детали в месте контроля материала детали раздельно-совмещенного пьезоэлектрического преобразователя, ввод импульсов ультразвуковых колебаний в материал детали через ее внешнюю поверхность и прием смеси отраженных ультразвуковых колебаний от неоднородностей структуры материала детали, причем при приеме смеси отраженных ультразвуковых колебаний от неоднородностей структуры материала детали дискретно измеряют величины сигналов с момента заданного времени t1 по момент заданного времени t2 с дискретностью (t2-t1)/n, где n число измерений в интервале времени от t1 до t2, запоминают величины измеренных значений, определяют среднее значение измеренных значений отраженных ультразвуковых колебаний и стандартное отклонение смеси отраженных ультразвуковых колебаний относительно вычисленного среднего значения в интервале времени (t2-t1), после чего определяют стандартное отклонение смеси отраженных ультразвуковых колебаний Uпр для детали, соответствующей предельному состоянию материала, которое определяют экспериментально, доводя материал детали до состояния, предшествующего ее разрушению, что приводит к невозможности эксплуатации детали, далее определяют первую величину стандартного отклонения смеси отраженных ультразвуковых колебаний U1 для детали после выпуска из производства из того же материала, что и деталь, соответствующая предельному состоянию материала, затем определяют вторую величину стандартного отклонения смеси отраженных ультразвуковых колебаний U2 для детали из того же материала, по времени эксплуатации соответствующей первому плановому обслуживанию, далее по двум измеренным предыдущим значениям стандартного отклонения смеси отраженных ультразвуковых колебаний U1 и стандартного отклонения смеси отраженных ультразвуковых колебаний U2 определяют линейную зависимость времени эксплуатации детали от стандартного отклонения смеси отраженных ультразвуковых колебаний T(U), далее на основании полученных параметров проводят оценку исчерпания ресурса деталей из металлов и их сплавов.

Использование: для обнаружения дефектов при ручном и автоматическом контроле. Сущность изобретения заключается в том, что возбуждают с помощью ультразвукового преобразователя в контактной среде импульс продольной волны, которая падает на поверхность объекта контроля под углом, значение которого больше первого критического угла и меньше второго критического угла, анализируют амплитуду зарегистрированных эхосигналов.

Изобретение относится к геофизическим, в частности сейсмоакустическим, методам исследований и может быть использовано для калибровки характеристик сейсмоакустических преобразователей.

Изобретение относится к геофизическим, в частности сейсмоакустическим, устройствам исследований и может быть использовано для контроля характеристик преобразователей, применяющихся при мониторинге различных технических объектов.

Использование: для оценки качества участка сварки в стальном материале неразрушающим методом с использованием ультразвуковых волн. Сущность изобретения заключается в том, что модуль задания точки измерений задает произвольную точку измерений рядом с участком сварки внутри стального материала и предполагает виртуальную отражающую поверхность, которая содержит эту точку измерений и параллельна направлению линии сварки.

Использование: для определения среднего диаметра зерна металлических изделий посредством ультразвукового излучения. Сущность изобретения заключается в том, что определение среднего диаметра зерна DЗ металла выполняют с использованием градуировочного графика отношения U′ величины структурного шума USN к импульсу релеевской волны UR, описываемого линейной зависимостью DЗ=a+b·U′, где a и b - структурные коэффициенты.

Использование: для исследования дефектов. Сущность изобретения заключается в том, что способ исследования дефектов включает в себя: первый этап подачи высокочастотного сигнала во множество катушек индуктивности, которые расположены смежно по отношению друг к другу таким образом, что они частично накладываются друг на друга, в электромагнитном ультразвуковом зонде для генерации ультразвукового колебания в исследуемом объекте; второй этап приема B-эха ультразвукового колебания с использованием каждой из множества катушек индуктивности; третий этап приема F-эха ультразвукового колебания с использованием каждой из множества катушек индуктивности; четвертый этап корректировки интенсивности сигнала B-эха, принятого каждой из множества катушек индуктивности, на основе рабочего состояния каждой из множества катушек индуктивности; и пятый этап вычисления отношения посредством деления интенсивности сигнала F-эха на интенсивность скорректированного сигнала B-эха для каждой из множества катушек индуктивности и оценки внутреннего дефекта исследуемого объекта на основе результата вычисления отношения.

Использование: для обнаружения и контроля дефектов изделий из металла. Сущность изобретения заключается в том, что металлическое изделие сканируют зондирующим сигналом, формирующимся передающим устройством, а возникающий в дефектном металлическом изделии сигнал принимают с помощью приемного устройства, при этом зондирующий сигнал формируют в виде 1-й гармоники сигнала, а в качестве отраженного от металлического изделия принимают 3-ю гармонику этого сигнала, возникающую в дефекте.

Изобретение может быть использовано при восстановлении наплавкой крупногабаритных деталей типа валов, в частности судовых гребных и промежуточных валов. После предварительного контроля восстанавливаемой поверхности на наличие дефектов в виде несплошностей металла исследуют неразрушающим методом контроля макроструктуру металла в поперечном сечении детали на предполагаемом участке перехода от металла наплавки к основному металлу, соответствующем опасному сечению детали. В упомянутом поперечном сечении детали определяют границы обезуглероживания участков металла, окаймляющих выявленные неметаллические включения. С учетом расположения скоплений неметаллических включений определяют участки начала и окончания наплавочного процесса на расстоянии К≥с от ближайшей границы обезуглероживания, где с - зона его термического влияния. Способ обеспечивает повышение надежности и долговечности эксплуатации отремонтированных валов. 5 ил.
Наверх