CC BY
5
УДК 620.1.08
https://doi.org/10.24412/0131-4270-2023-5-6-13-17
КАЛИБРОВКА ПРИБОРА STRESSVISION
CALIBRATING THE STRESSVISION INSTRUMENT
Глушкова Л.Р., Каравайченко М.Г.
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450064, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/0009-0009-4674-5626, E-mail: lgulemova@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1709-1717, E-mail: kmgnmd@yandex.ru
Резюме: Оперативный контроль остаточных механических напряжений является актуальной задачей при строительстве и эксплуатации вертикальных стальных резервуаров для хранения нефти. При этом выбор метода контроля должен быть основан на достоверных данных. Широкое применение среди неразрушающих методов приобретает магнитоанизотропный метод контроля. Среди существенных недостатков при применении данного метода является необходимость калибровки прибора для каждой марки стали. Целью данной работы является калибровка средств измерения - получение зависимости между разностью главных механических напряжений (РГМН) (усл. ед.) и напряжением (МПа) при растяжении образцов из стали марки 09Г2С, получившей наибольшее применение при строительстве резервуаров.
Ключевые слова: остаточные напряжения, магнитоанизотропный метод, разность главных механических напряжений, напряженно-деформированное состояние, неразрушающий контроль, методы контроля.
Для цитирования: Глушкова Л.Р., Каравайченко М.Г. Калибровка прибора STRESSVISION // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2023. № 5-6. С. 13-17.
D0I:10.24412/0131-4270-2023-5-6-13-17
Glushkova Liana R., Karavaychenko Mikhail G.
Ufa State Petroleum Technical University, 450064, Ufa, Russia
ORCID: https://orcid.org/0009-0009-4674-5626, E-mail: lgulemova@mail.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1709-1717, E-mail: kmgnmd@yandex.ru
Abstract: Operational control of residual mechanical stresses is an urgent task in the construction and operation of vertical steel tanks for oil storage. At the same time, the choice of the control method should be based on reliable data. The magnetoanisotropic control method is widely used among non-destructive methods. Among the significant disadvantages when using this method is the need to calibrate the device for each steel grade. The purpose of this work is to calibrate the measuring instruments - to obtain dependencies between the difference of the main mechanical stresses (DMMS) (standard units) and stresses (MPa) during stretching of samples made of steel grade 09G2S, which received the most applied.
Keywords: residual stresses, magnetoanisotropic method, the difference of the main mechanical stresses, stress-strain state, nondestructive testing, control methods.
For citation: Glushkova L.R., Karavaychenko M.G. CALIBRATING THE STRESSVISION INSTRUMENT. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2023, no. 5-6, pp. 13-17.
DOI:10.24412/0131-4270-2023-5-6-13-17
Введение
В настоящее время для неразрушающего контроля остаточных механических напряжений после технологических операций (деформирование, сварка, термическая обработка и др.) широко применяют метод измерения твердости и магнитные методы.
Твердометрия отличается простотой исследования, низкими затратами на оборудование и его обслуживание. Однако считают, что данный метод контроля является приближенным (погрешность достигает 30%).
Это объясняется тем, что указанные значения твердости представляют лишь конечный результат оценки процесса контактного деформирования материала инденто-ром при фиксированной стандартом конечной нагрузки. Более полную информацию о параметрах упрочнения и физико-механических свойствах материалов можно получить путем регистрации непрерывной диаграммы вдавливания при нагружении индентора.
Широкое применение среди неразрушающих методов также приобретают магнитные методы контроля. Среди магнитных характеристик, используемых для оценки физико-механических свойств материала при пластическом деформировании, можно выделить коэрцитивную силу и остаточную индукцию, на которые оказывают влияние фрагментация зерен феррита, рост плотности дислокаций на границах зерен, микро- и макротрещины. В этой связи изменение магнитных свойств и структуры при упругой и пластической деформации Э.С. Горкунов и др. [1] разбивают на
три этапа: 1) изменение при малых деформациях; 2) изменение при средних деформациях; 3) изменение после больших деформаций.
Наибольшее применение для исследования магнитных свойств металла получили приборы, работающие на основе измерения коэрцитивной силы: индикаторы механического напряжения (ИМН), индикаторы концентрации напряжений (ИКН), измерители параметров виброколебаний и напряжений (ИНК), структуроскопы МС, коэрцитиметры «Каскад», «КИМ» и др.
Для исследования полей механических напряжений в резервуарных конструкциях применяют приборы, относящиеся к классу электромагнитных измерителей механических напряжений [2]. Принцип их действия основан на использовании магнитоупругого эффекта, под которым понимается свойство ферромагнитных материалов изменять магнитное состояние под влиянием механических напряжений.
Известно, что концентраторы механических напряжений в конструкциях создают искажения в магнитном поле детали. Основными характеристиками магнитного поля в ферромагнетиках являются магнитная напряженность Н и магнитная индукция В.
Любая зависимость между магнитной индукцией и механическими напряжениями имеет точку инверсии, после которой связь между В и а становится обратной (петля гистерезиса), то есть один и тот же уровень выходного сигнала может быть получен для двух различных механических напряжений. Такое явление магнитомеханического
510
Таблица 2
Химический состав стали 09Г2С
I Рис. 2. Схема измерения РГМН
гистерезиса наблюдается в зоне пластического течения. А поскольку в резервуарных конструкциях металл испытывает в процессе заготовительных монтажных технологических операций и эксплуатации многочисленные знакопеременные механические воздействия, в том числе и местные пластические деформации, известные измерители напряжений нередко дают ложные результаты.
Алгоритм обработки информации, получаемой с помощью приборов StressVision-2, в частности, позволил решить проблему маг-нитомеханического гистерезиса. Магнитоанизотропные («крестовые») преобразователи, с которыми работают приборы серии StressVision-2, представляют собой два взаимно перпендикулярных П-образных маг-нитопровода, на одном из которых расположена обмотка возбуждения, на другом - измерительные обмотки. Преобразователи используют анизотропию магнитных свойств, возникающую в ферромагнетике при нагру-жении внешней силой, и свободны от недостатков приборов, использующих магнитоупругие преобразователи.
StressVision-2 версии Ехре^МРа, позволяет определить РГМН в единицах измерения механических напряжений (МПа), младшие версии - в условных единицах, то есть применимы для качественных сравнений (больше -меньше - равно). Для количественной оценки напряженного состояния прибор следует калибровать на образце-свидетеле.
Для оценки живучести конструкции не столь важны сами напряжения, как места их концентрации и скорости изменения напряжений (градиенты). Дело в том, что в центрах концентрации механических напряжений (КМН) зарождаются трещины.
Так, в отличие от других методов контроля, представляющих данные о наличии дефекта, магнитоанизотропный метод контроля позволяет получить данные о напряженном состоянии изделия. Среди существенных недостатков данного метода можно отметить необходимость калибровки прибора для каждой марки стали, а также высокую стоимость оборудования.
В работе [3] представлена калибровочная зависимость для магнитоанизотропного метода при растяжении образца из стали РСD32. Полученная линейная зависимость показывает повышение значений выходного сигнала при повышении напряжений. При этом испытания проводили только в области упругих деформаций.
Известно, что магнитные свойства стали зависят от химического состава, структуры, плотности дислокаций и механических напряжений в зонах их концентрации, поэтому необходима калибровка прибора на образцах-свидетелях.
Таблица 1
Характеристика образца согласно сертификату на лист
Предел прочности, Н/мм2 Предел текучести, Н/мм2 Относительное удлинение, % Изгиб Ударная вязкость КШ = +40°С, Дж/см2
370
28
уд
60
№ ГОСТ, Массовая доля элементов, не более %
сертификат С Мп Si S Р Сг N Си А1 Т Мо V
Сертификат, 0,10 1,45 0,71 0,006 0,013 0,05 0,03 0,05 0,29 0,005 - 0,004
лист
5 = 20 мм
■ Рис. 1. Плоский образец с головками
А, -- В ,
1 2 3 4 5 6
Целью данной работы является калибровка средств измерения - получение зависимостей между показаниями разности главных механических напряжений (РГМН) (усл. ед.), деформаций и напряжений (МПа) при растяжении образца. Под калибровкой понимается определение шкал соответствия между показаниями приборов и значениями напряжений при растяжении.
Материал и методика проведения эксперимента
Для проведения экспериментов использовали образцы из низколегированной стали марки 09Г2С как наиболее распространенной в резервуаростроении. Параметры металла представлены в табл. 1 и 2.
Эксперименты проводили согласно [4] в заводской лаборатории ЗАО «Нефтемонтаждиагностика» при температуре в помещении 20 °С и влажности 78%. На разрывной машине ИР 5145-500, управление которой осуществляется через подсоединенный к ней компьютер и контрольную выносную панель, производили растяжение образцов. Скорость разрывной машины при растяжении составляла 0,1 мм/мин.
Для статистической обработки результатов эксперимент состоял из трех образцов. При растяжении использовались образцы (рис. 1) из стали 09Г2С [5].
Образцы деформировали растяжением до разрушения. Испытания проводились с остановкой машины на определенных нагрузках. На каждом этапе фиксировали: разность главных механических напряжений (РГМН) с использованием сканера механических напряжений «StressVision Expert»; площадь поперечного сечения образца измеряли штангенциркулем с ценой деления 0,05 мм.
РГМН измеряли в ячейках согласно рис. 2. Сканирование проводится построчно, по горизонтали в слое металла от 0-3 мм и 0-6 мм. Каждая новая строчка сканирования начинается с 1-й ячейки.
Схема сканирования магнитоанизотропным методом включает четыре этапа: подготовительные операции (подготовка рабочего места и объекта; изготовление координационной сетки); проверка работоспособности устройства; проведение измерений; запись данных.
Результаты и их обсуждение
Ниже представлены результаты испытаний РГМН в виде картограмм. Для удобства визуализации черным цветом представлены зоны с максимальными значениями, а белым - зоны с минимальными значениями.
■ Рис. 3. РГМН в слое 0-3 мм, сталь в состоянии поставки
I Рис. 4. РГМН в слое 0-3 мм при нагрузке 50 кН
|Рис. 5. График зависимости механических напряжений, РГМН от удлинения образцов из стали марки 09Г2С
№1:
ai/crmax
TMHmai?5
№2: 0,0 PrMHi/P
ГМНшах 0,5
№3:
PTMHi/P
ГМНшах 0,0
- . 1/Г. max -0,5
МО _1,о
(РГМН)
(ус.ед)
-1,5
О
J i 1
О' 0 2 0 4 0,6 0 8 1 0 1
si/е max, %
\
А У = -44,564х+ + 89,284х3 - 63,142х2 +-17,811 R2 - 0,9983 X - 0,6988
Согласно рис. 3, РГМН в исходном состоянии меняется от 27,5 (белый цвет) до 107 (черный цвет) в слое 0-3 мм. Причем наименьшее значение расположено в 5-й ячейке, в которой в дальнейшем произойдет разрыв. Минусовое значение характерно для зон с остаточными напряжениями сжатия. Предположительно эти напряжения возникли в процессе прокатки листа при его изготовлении.
Кроме того, на образцах металла в состоянии поставки измеряли РГМН в слое 0-6 мм; установлено, что значения изменялись от 19,7 до 66,6 ед.
Таким образом, установлено, что магнитное поле при проникновении в металл неоднородно и величина намагниченности с увеличением глубины проникновения уменьшается. Следовательно, при дальнейших исследованиях следует намагничивать метал на глубину 0-3 мм.
Во время растяжения образцов значения твердости и РГМН фиксировали при нагрузках: 50, 100, 150, 222, 260, 350 и 390 кН. Характерный вид полей РГМН при деформации образцов представлен на рис. 4.
Видно, что РГМН при нагрузке 50 кН меняется от 77,4 (белый цвет) до 2,4 (черный цвет) в слое 0-3 мм. Магнитное поле на рабочей части образца неоднородно. Изобары показывают границы областей с равными значениями РГМН.
На рис. 5 представлены калибровочные зависимости РГМН и напряжений (МПа). Для удобства интерпретации результатов испытаний график построен в относительных единицах (а/атах; РГМН,/РГМНтах).
При анализе данных было отмечено, что РГМН, измеренные в месте разрыва, имеют минимальное значение. Для трех серий проведенных измерений РГМН получено математическое ожидание (МО) РГМН.
Построен график, аппроксимирующей функции значений математического ожидания (РГМН) и получена регрессионная зависимость в виде полинома 4-й степени: у = -44,564.x4 + 89,284x3 - 63,142х2 + 17,811х - 0,6988, где под х будем понимать РГМН в исследуемой точке, а под у - механические напряжения в МПа. Оценена значимость (надежность) полученного уравнения, индекс детерминации Я2 = 0,9983 показал высокую надежность данного уравнения.
Результаты показывают, что РГМН ведет себя линейно в пределах упругих деформаций, что не противоречит работе [3].
Результаты измерений РГМН показали ее зависимость от напряжений. РГМН ведет себя линейно в пределах упругих деформаций. При повышении напряжения до предела текучести 315 МПа в ряде испытаний № 1, 2, 3 отмечено повышение значений РГМН до максимального 116,1 МПа.
относительного
Дальнейшее повышение напряжений (в зоне пластичности) приводит к нелинейному снижению значений РГМН.
Известно, что связь между механическими напряжениями и магнитными свойствами среды характеризуется магнито-упругой чувствительностью
ЛВ = дБ/да. (1)
Принцип действия магнитоанизотропного преобразователя основан на эффекте поворота вектора магнитной индукции В, создаваемой первичной обмоткой в зоне измерений. Величина напряжения и на выходе измерительной обмотки ю описана формулой [6]
и = KBSfюsinp, (2)
где К - коэффициент пропорциональности; В - магнитная индукция, Тл; S - сечение магнитопровода, мм2; I - частота переменного тока, Гц; ю - количество витков на измерительной обмотке; р - угол между плоскостью измерительной обмотки и вектором магнитной индукции В. В этой зависимости переменной величиной для конкретного испытания является магнитная индукция. Таким образом, поведение магнитной индукции при повышении напряжений может объяснить изменение РГМН. В работе [7] отмечено, что остаточная индукция растет с увеличением механического напряжения, а в работе [8] - его снижение. Однако в данных работах графики зависимости ограничены областью упругих деформаций.
Более детальный анализ показывает, что выходной сигнал «крестового» магнитоанизотропного преобразователя (то есть до какой-либо обработки) выдает сигнал, пропорциональный разности главных механических напряжений (РГМН):
т = (а - аз)/2, (3)
где т - касательные напряжения, а1 и а3 - наибольшее (в алгебраическом смысле) и наименьшее главное напряжение соответственно. Согласно критерию Треска
Tmax = (ст1 - ст3)/2 = ^
(4)
Выражение (3) является критерием максимальных касательных напряжений (3-й критерий прочности).
В работе [9] для стали Х70 в области упругих деформаций отмечено повышение остаточной индукции при нагру-жении образцов до 200-250 МПа, далее происходит снижение остаточной индукции до образования шейки. Авторы отметили, что монотонное изменение магнитных характеристик в области упругих деформаций вызвано магнитной текстурой напряжений вследствие магнитоупругого эффекта.
Рост прочностных свойств упругой стадии при растяжении металла можно объяснить изменением ориентировки и фрагментацией ферритных зерен, увеличением плотности дислокаций на их границах и на границах включений. При
дальнейшем увеличении механических напряжений плотность дислокаций достигает критического значения, при котором образуются микротрещины и дальнейшее их объединение с образованием макротрещин [10, 11].
Магнитные свойства низколегированной стали при деформации. Сталь марки 09Г2С имеет поликристаллическое строение, состоящее из ферритных зерен (твердый раствор углерода в a-Fe) и перлитных колоний, состоящих из чередующихся пластинок феррита и цементита (Fe3C). Исходная структура в слабом магнитном поле Земли характеризуется разнонаправленными, в сумме уравновешенными магнитными доменами. На стадии упругой деформации в низколегированной стали одновременно с ростом деформации и прочности происходит изменение направленности векторов магнитной индукции, рост коэрцитивной силы.
По мнению [1], при холодной деформации перлитных углеродистых сталей происходит увеличение плотности дефектов в кристаллической фазе a-Fe и цементита Fe3C, что обуславливает рост коэрцитивной силы на данном этапе деформирования. При последующей деформации происходит дальнейшее повышение плотности дислокаций в a-Fe и постепенный возможный переход этой фазы в наноструктурное состояние. Одновременно по мере накопления дефектов решетка цементитной фазы Fe3C переходит из равновесного состояния в состояние с деформированной искаженной кристаллической решеткой в фазу (Fe3C)fl. Авторы экспериментально доказали, что при этом коэрцитивная сила снижается. Отжиг деформированного металла при температуре 500 °С, переводит кристаллическую решетку цементитной фазы из состояния (Fe3C)fl в состояние с равновесной недеформированной решеткой Fe3C.
Заключение
Установлено, что листовой прокат низколегированной стали 09Г2С в состоянии поставки неоднороден по магнитным, следовательно, по механическим свойствам как по поверхности, так и по толщине. Приповерхностный слой металла толщиной до 3 мм имеет максимальные остаточные напряжения сжатия, вызванные технологическим процессом прокатки. В слое толщиной до 6 мм остаточные напряжения снижаются.
При холодной деформации в зоне упругих деформаций РГМН растет линейно с достижением максимума при напряжениях, соответствующих пределу текучести металла (стТ). При деформации образца в зоне текучести РГМН нелинейно снижается. Получена регрессионная зависимость остаточных механических напряжений от значений РГМН в виде полинома 4-го порядка.
Показана возможность контроля остаточных механических напряжений по РГМН.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горкунов Э.С., Саврай Р.А., Макаров А.В., Задворкин С.М. Магнитные методы оценки упругой и пластической деформации при циклическом нагружении сталей. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. 2015. No. 2. P. 6-15. URL: http://dream-journal.org/issues/2015-2/2015-2_20.html (дата обращения 01.12.2023).
2. Каравайченко М.Г., Летуновский А.П., Дорошенко Ф.Е. Методы снижения сварочных напряжений в резерву-арных конструкциях // Промышленное и гражданское строительство. 2023. № 2. С. 29-36.
3. Никулин В.Е., Паршин С.Г., Левченко А.М. Исследование остаточных сварочных напряжений при подводной мокрой сварке низколегированной стали с применением магнитоанизотропного и рентгенодифрактометри-ческого метода // Дефектоскопия. 2021. № 8. С. 37-50.
4. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение.
5. ГОСТ 19281-2014. Прокат из стали повышенной прочности. Общие технические условия.
6. Евстратикова Я.И., Никулин В.Е. Контроль остаточных сварочных напряжений с помощью магнитоанизотропного метода после применения ультразвуковой ударной обработки // Сварка и диагностика. 2019. № 4. С. 38-42.
7. Поволоцкая А.М., Задворкин С.М., Путилова Е.А., Мушников А.Н. Особенности поведения магнитных характеристик образцов из низколегированной конструкционной стали при упругом деформировании после предварительного циклического нагружения // Материаловедение. Энергетика. 2021. Т. 27. № 3. С. 86-96.
8. Горкунов Э.С., Задворкин С.М., Мушников А.Н. и др. Влияние механических напряжений на магнитные характеристики трубной стали // Прикладная механика и техническая физика. 2014. Т. 55. № 3. С. 181-191.
9. Горкунов Э.С., Митропольская С.Ю., Вичужанин Д.И., Туева Е.А. Применение магнитных методов для оценки нагруженности и поврежденности стали Х70 // Физическая мезомеханика. 2010. №1. С. 73-82.
10. Ульянов А.И., Горкунов Э.С., Смирнов С.В. и др. Влияние сильных пластических деформаций на структурное состояние и коэрцитивную силу патентированной проволоки стали 70 и порошков сплава Fe - 5ат. % С // Физическая мезомеханика. 2005. Т. 8. № 2. С. 81-88.
11. Каравайченко М.Г. Прочность и живучесть резервуаров. СПб.: Наукоемкие технологии, 2023. 524 с.
REFERENCES
1. Gorkunov E.S., Savray R.A., Makarov A.V., Zadvorkin S.M. Magnetic methods for assessing elastic and plastic deformation under cyclic loading of steels. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2015, no. 2, pp. 6-15 (In Russian). Available at: http://dream-journal.org/issues/2015-2/2015-2_20.html (accessed 1 December 2023).
2. Karavaychenko M.G., Letunovskiy A.P., Doroshenko F.YE. Methods for reducing welding stresses in tank structures. Promyshlennoye igrazhdanskoye stroitel'stvo, 2023, no. 2, pp. 29-36 (In Russian).
3. Nikulin V.YE., Parshin S.G., Levchenko A.M. Study of residual welding stresses during underwater wet welding of low-alloy steel using magnetic anisotropic and X-ray diffraction methods. Defektoskopiya, 2021, no. 8, pp. 37-50 (In Russian).
4. GOST 1497-84. Metally. Metody ispytaniy na rastyazheniye [State Standard 1497-84. Metals. Methods of tension test].
5. GOST 19281-2014. Prokat iz stali povyshennoy prochnosti. Obshchiye tekhnicheskiye usloviya [State Standard 19281-2014. High strength rolled steel. General specification].
6. Yevstratikova YA.I., Nikulin V.YE. Control of residual welding stresses using the magnetoanisotropic method after the use of ultrasonic impact treatment. Svarka i diagnostika, 2019, no. 4, pp. 38-42 (In Russian).
7. Povolotskaya A.M., Zadvorkin S.M., Putilova YE.A., Mushnikov A.N. Features of the behavior of magnetic characteristics of samples made of low-alloy structural steel under elastic deformation after preliminary cyclic loading. Materialoved eniye. Energetika, 2021, vol. 27, no. 3, pp. 86-96 (In Russian).
8. Gorkunov E.S., Zadvorkin S.M., Mushnikov A.N. The influence of mechanical stresses on the magnetic characteristics of pipe steel. Prikladnaya mekhanika i tekhnicheskaya fizika, 2014, vol. 55, no. 3, pp. 181-191 (In Russian).
9. Gorkunov E.S., Mitropol'skaya S.YU., Vichuzhanin D.I., Tuyeva YE.A. Application of magnetic methods to assess the load and damage of X70 steel. Fizicheskaya mezomekhanika, 2010, no.1, pp. 73-82 (In Russian).
10. Ul'yanov A.I., Gorkunov E.S., Smirnov S.V. The influence of strong plastic deformations on the structural state and coercive force of patented steel 70 wire and Fe - 5 at. % C alloy powders. Fizicheskaya mezomekhanika, 2005, vol. 8, no. 2, pp. 81-88 (In Russian).
11. Karavaychenko M.G. Prochnost i zhivuchest rezervuarov [Strength and survivability of tanks]. St. Petersburg, Naukoyemkiye tekhnologii Publ., 2023. 524 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Глушкова Лиана Ринатовна, аспирант, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Каравайченко Михаил Георгиевич, д.т.н., проф. кафедры проектирования и строительства объектов нефтяной и газовой промышленности, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Liana R. Glushkova, Postgraduate Student, Ufa State Petroleum Technological University.
Mikhail G. Karavaychenko, Dr Sci. (Tech.), Prof. of the Department of Design and Construction of Oil and Gas Industry Facilities, Ufa State Petroleum Technological University.
