CC BY
22
УДК 620.17
КОНТРОЛЬ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ТОЛСТОСТЕННЫХ
ТРУБАХ
А.В. Федоров1, В.А. Быченок2, И.В. Беркутов3, И.Е. Алифанова4
1,4 Университет ИТМО, Россия 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр-т, 49
2'3ООО «НТЦ «Эталон», Россия 197343 Санкт-Петербург, ул. Матроса Железняка, 57 лит. А
Для контроля механических напряжений в толстостенных трубах предложено использовать акустические методы неразрушающего контроля. Проведена градуировка средств контроля механических напряжений, апробация методов на экспериментальных образцах и экспериментальные исследования на трех образцах толстостенных труб.
Ключевые слова: неразрушающий контроль, механические напряжения, акустический метод контроля, ультразвук, лазерный ультразвук.
CONTROL OF MECHANICAL STRESS IN THICK-WALLED PIPES
A.V. Fedorov, V.A. Bychenok, I.V. Berkutov, I.E. Alifanova
ITMO University, Russia 197101, St. Petersburg, Kronverksky av., 49;
LLC "STC" Etalon "Russia 197343, St. Petersburg, st. Matros Zheleznyak, 57 lit. A
To control mechanical stresses in thick-walled pipes, it is proposed to use acoustic methods of non-destructive testing. Calibration of mechanical stress control devices, testing of methods on experimental samples and experimental studies on three samples of thick-walled pipes were carried out.
Keywords: non-destructive testing, mechanical stresses, acoustic testing method, ultrasound, laser ultrasound.
Введение напряжений могут быть использованы как для
В настоящее время требования к эксплу- проверки правильности таких расчетов, так и
атационным характеристикам новых образцов для оперативной диагностики технического со-
техники постоянно повышаются. При этом, пер- стояния толстостенных труб при эксплуатации и
востепенной задачей остается обеспечение экс- корректировке технологических процессов при
плуатационной надежности, точности изготов- изготовлении. ления и требований ресурса конструкций. В
частности, к производству толстостенных труб Конечно-элементное моделирование
предъявляются высокие требования сохранения Для оценки влияния уровня механиче-
геометрических характеристик: прямолинейно- ских напряжений, действующих в материале
сти и разностенности. Толстостенные трубы толстенных труб, на сохранение их прямолиней-
представляют собой тела трубчатой формы пе- ности было проведено конечно-элементное мо-
ременного сечения с внешним диаметром 0,2 - делирование. Трехмерная модель толстостенной
0,3 м при длине более 5 м, изготовленные из спе- трубы, расположенная на двух опорах нагружа-
циальной стали. лась распределенной по поверхности нагрузкой
Во многом сохранение геометрических F в осевом направлении до возникновения в теле
характеристик толстостенных труб при произ- модели несбалансированных механических
водстве определяется уровнем механических напряжений Ло = оп — от (где оп, от - вели-
напряжений, которые практически невозможно чина механических напряжений в диамет-
учесть в расчетах, проводимых при проектиро- рально-противоположных точках сечения вании. Прямые измерения механических
1 Фёдоров Алексей Владимирович - доктор технических наук, доцент факультета систем управления робототехники, тел.: +79119251886 e-mail: afedor62@yandex.ru;
2Быченок Владимир Анатольевич - кандидат технических наук, заместитель директора по НИОКР, +7 911 961-85-00 e-mail: bychenok-vladimr@mail.ru;
3Беркутов Игорь Владимирович - руководитель центра технологий неразрушающего контроля-начальник отдела, +7 904 643-99-36, e-mail: berk.iv@mail.ru;
4Алифанова Ирина Евгеньевна1 - аспирант, тел.: +7 904 556-40-72 sherbairina@mail.ru.
толстостенной трубы), которые являлись причиной возникновения в модели толстостенной трубы отклонения от прямолинейности £. На рисунке 1 приведена зависимость величины отклонения от прямолинейности £ от величины несбалансированных механических напряжений Вс.
- 0,7 -:-:-
До,б ^^
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
Несбалансированность напряжений (До), МПа
Рисунок 1 - График зависимости величины отклонения от прямолинейности от величины несбалансированных механических напряжений, полученный с помощью конечно-элементного моделирования
Из графика, приведенного на рисунке 1, видно, что величина отклонения от прямолинейности модели толстостенной трубы достигает значения 0,3 мм при величине несбалансированных механических напряжений около 70 МПа.
Методы контроля механических
напряжений
Анализ существующих методов и средств контроля механических напряжений показал, что большинство методов имеют ограничения в решении задачи контроля механических напряжений в толстостенных трубах, связанные со следующими факторами:
- отсутствие аппарата вычисления механических напряжений (в данный момент реализуются вычисления в условных единицах, например, в магнитных величинах и др.);
- невозможность выполнять измерения на реальных объектах (например, выполнить измерения механических напряжений с помощью нейтронного ускорителя можно лишь на образцах с определенными габаритными размерами);
- измерение напряжений 3-го рода, что не характеризует уровень механических напряжений в объеме, позволяющем оценить вероятность деформации объекта контроля при механической обработке.
Для контроля механических напряжений в толстостенных трубах было предложено использовать следующие методы:
- ультразвуковой метод с генерацией двух взаимно-поляризованных поперечных и одной продольной ультразвуковых волн [1, 2], позволяющий контролировать двухосное
напряженное состояние интегрально по толщине прозвучиваемого изделия;
- лазерно-ультразвуковой метод с генерацией головной подповерхностной волны [3, 4], позволяющий контролировать одноосное напряженное состояние в подповерхностном слое на базе 30 мм.
Для контроля механических напряжений в толстостенных трубах ультразвуковым методом использовался двухканальный ультразвуковой дефектоскоп в комплекте с трехкомпонент-ным пьезоэлектрическим преобразователем (ПЭП) (рисунок 2), объединяющим в своем корпусе три пьезоэлемента и позволяющим генерировать и принимать две взаимно-поляризованные поперечные и продольную ультразвуковые волны, распространяющиеся по толщине про-звучиваемого объекта. Комплект средств ультразвукового контроля обладает компактностью, гибкостью программного обеспечения и позволяет оценивать амплитудные, временные и частотные характеристики принимаемых сигналов.
а) б)
Рисунок 2 - Комплект средств ультразвукового контроля: а) - двухканальный ультразвуковой дефектоскоп; б) - трехкомпонентный ПЭП
Для контроля механических напряжений в толстостенных трубах лазерно-ультразвуко-вым методом использовался лазерно-ультразву-ковой дефектоскоп, разработанный в Международном лазерном центре МГУ им. М. В. Ломоносова в комплекте с раздельно-совмещенным оптико-акустическим преобразователем (ОАП) с базой измерений 30 мм (рисунок 3).
Преимущества лазерно-ультразвукового метода контроля механических напряжений состоят в следующем:
- высокое разрешение проводимых измерений во временной области благодаря мощным и коротким апериодическим ультразвуковым сигналам, генерируемым с помощью лазерного возбуждения;
- высокая точность измерений скорости ультразвуковых волн (относительная погрешность не более 1%, повторяемость 1-2 м/с) благодаря широкополосности и малой длительности (70 - 80 нс) термооптически возбуждаемых акустических импульсов.
Рисунок 3 - Комплект средств лазерно-ультразвукового контроля: а) - лазерно-
ультразвуковой дефектоскоп; б) - ОАП
Основные результаты
Была проведена градуировка средств контроля с использованием образцов-имитаторов с целью получения значения коэффициента упругоакустической связи материала. Для обеспечения максимально возможного соответствия физико-механических и акустических свойств образцов-имитаторов материалу толстостенных труб, образцы-имитаторы для градуировки средств контроля были изготовлены из заготовки специальной трубы, прошедшей точно такие же операции механической и термической обработки, что и объекты контроля.
Градуировка проводилась при испытании образцов-имитаторов на растяжение в упругой области. В результате градуировки были получены значения коэффициентов упругоакусти-ческой связи материала, которые составили
- минус 80000 МПа для продольной волны
ПЭП;
- минус 3351 МПа для поперечной волны
ПЭП;
- минус 47901 МПа для ОАП.
Апробация методов контроля механических напряжений выполнялась на экспериментальных образцах кольцеобразной формы (внешний диаметр - 270 мм, внутренний диаметр 123 мм, толщина - 80 мм), изготовленных из толстостенных труб. Экспериментальные исследования по апробации методов контроля механических напряжений проводились с использованием универсальной испытательной машины Еи-40 (рисунок 4). С помощью предложенных методов и средств контроля проводились измерения механических напряжений в экспериментальных образцах под действием сжимающей нагрузки 135, 275 и 325 кН. Для проверки результатов контроля было выполнено конечно-элементное моделирование нагруже-ния экспериментальных образцов. Анализ результатов моделирования показал качественную и количественную сходимость с результатами эксперимента.
Экспериментальные исследования по контролю механических напряжений с
помощью предложенных методов и средств контроля проводились на трех образцах толстостенных труб №№ 1, 2, 3. Экспериментальные исследования на образце толстостенной трубы № 1 проводились в три этапа: до проведения механической обработки; после проведения первого и второго этапов механической обработки. Образцы толстостенных труб при проведении экспериментальных исследований были расположены на двух опорах. Контроль проводился в 6 сечениях (А - Е) образца толстостенной трубы. В каждом сечении было 12 положений ПЭП или ОАП в соответствии со схемой контроля (рисунок 5).
Рисунок 4 - Внешний вид установки для проведения апробации методов контроля механических напряжений
В результате экспериментальных исследований были получены распределения механических напряжений в каждом сечении образца толстостенной трубы (рисунок 6), по длине образца толстостенной трубы (рисунок 7) и схематически представлено распределение механических напряжений по сечениям образца толстостенной трубы (рисунок 8).
Результаты измерений механических напряжений с помощью ультразвукового метода в образцах толстостенных труб показали, что в окружном направлении в сечениях А, В, Е образцы толстостенных труб находились преимущественно в растянутом состоянии при средней величине напряжений плюс 70 МПа, а в сечениях Б, Г, Д - преимущественно в сжатом состоянии при средней величине напряжений минус 130 МПа (рисунок 6). В осевом направлении образцы толстостенных труб находились преимущественно в растянутом состоянии при средней величине напряженного состояния около плюс 388 МПа.
А Б В г д Е ,
1 1 - 1
Т р-- X
й й.
эмощью лазерно-ультразвукового метода, в со-гветствующих положениях ОАП.
Рисунок 5 - Схема контроля механических напряжений в образцах толстостенных труб
Рисунок 6 - Пример распределения механических напряжений, измеренных лазерно-ультразвуковым методом в сечении В образца толстостенной трубы № 1
Результаты измерений механических напряжений в образцах толстостенных труб ла-зерно-ультразвуковым методом показали, что по поверхности все три образца толстостенных труб находились преимущественно в сжатом состоянии при среднем уровне сжимающих напряжений около минус 70 МПа. Причем величина сжимающих напряжений в сечениях Г, Д, Е больше, чем в сечениях А, Б, В.
Отклонение от прямолинейности образцов толстостенных труб В таблице 1 приведены результаты измерений среднего отклонения от прямолинейности образцов толстостенных труб в положениях 3 -9 (см. рисунок 5) и величина несбалансированных остаточных напряжений, измеренная с
57 • 60 •
21 # -14
А Б В Г д Е
•
-141 •
а)
471 511 •
• •
• 295 328 •
б)
Рисунок 7 - Примеры распределения механических напряжений, измеренных ультразвуковым методом по длине образца толстостенной трубы № 2 в положении ПЭП 3: а)
- окружные напряжения; б) - осевые напряжения
Таблица 1 - Сопоставление результатов измерения отклонения от прямолинейности образцов толстостенных труб и несбалансированных механических напряжений
№ Об- Отклонение от Несбалансирован-
разца тол- прямолинейно- ность механиче-
стостен- сти ских напряжений
ной трубы е, мм До, МПа
№ 1 0,195 43
№ 2 0,183 38
№ 3 0,231 56
По результатам измерений отклонение от прямолинейности образцов толстостенных труб № 1 - 3 не превысило 0,3 мм. Между значениями несбалансированных механических напряжений, измеренных лазерно-ультразвуко-вым методом, и значениями отклонения от прямолинейности наблюдается корреляция: большему значению До соответствуют большие значения е. По сравнению с результатами моделирования, измеренные значения несбалансированных механических напряжений на 13 % больше при соответствующих значениях отклонения от прямолинейности.
Рисунок 8 - Пример схематического представления распределения механических напряжений, измеренных ультразвуковым методом, по сечениям образца толстостенной трубы № 3
Заключение
Таким образом, была выдвинута гипотеза о существовании связи между механическими напряжениями, действующими в материале толстостенных труб, и сохранением их прямолинейности. Для проверки гипотезы было проведено конечно-элементное моделирование и экспериментальные исследования по контролю механических напряжений в образцах толстостенных труб с помощью ультразвукового и лазерно-ультразвукового методов, включая: апробацию методов и средств контроля в процессе испытаний на сжатие экспериментальных кольцеобразных образцов; контроль механических напряжений в трех образцах толстостенных труб.
Результаты исследований:
- подтвердили гипотезу о том, что существует связь между механическими напряжениями, действующими в материале толстостенных труб, и сохранением их прямолинейности: несбалансированность механических напряжений в материале толстостенных труб приводит к их отклонению от прямолинейности;
- подтвердили возможность оценки уровня механических напряжений в толстостенной трубе, равномерность распределения
механических напряжений по сечению, длине и по поверхности толстостенной трубы с помощью акустических методов контроля механических напряжений;
- показали, что образцы толстостенных труб №1 - 3 удовлетворяют требованиям сохранения прямолинейности.
Акустические методы контроля механических напряжений, внедренные в процесс производства толстостенных труб, позволят определить недопустимый уровень механических напряжений еще в заготовках толстостенных труб, планировать технологический процесс с учетом известных механических напряжений, и, в конечном итоге, повысить качество толстостенных труб в части обеспечения выполнения требований к их прямолинейности и разностен-ности.
Литература
1. Н.Е. Никитина. Акустоупругость. Опыт практического применения. / Н.Новгород: ТАЛАМ, 2005.-208с.
2. ГОСТ Р 52731-2007. Контроль неразрушающий. Акустический метод контроля механических напряжений. Общие требования: нац. Стандарт РФ - Введ. 01.10.2007
3. Быченок, В.А. Контроль остаточных напряжений в околошовной зоне сварного шва. / [В.А. Быченок, И.В. Беркутов, А.Л. Майоров, А.В. Ильин, В.В. Кире-енко, В.Е. Прохорович, М.А. Чекмарева] // В мире НК - 2007 - № 13 - С.50-53
4. Karabutov. A.A. Determination of uniaxial stresses in steel structures by the laser-ultrasonic method / [A.A. Karabutov, N.B. Podymova, E.B Cherepetskaya] // Journal
of Applied Mechanics and Technical Physics - M A I K Nauka - Interperiodica (Russian Federation), 2017. -Vol.58, No.3 - pp. 503-810. - UDC 534.212; 534.08. 5. Свидетельство об аттестации методики (метода) измерений №30/23.11.2018-01.00276-2014 «Методика измерений механических напряжений в металлических конструкциях лазерно-ультразвуковым методом» .
УДК 623-9
ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ ЖИВУЧЕСТИ РЕМОНТНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ
С.А. Бирюков1, А.Д. Макаров2, С.Г. Дубинин3
Военная академия материально-технического обеспечения им. генерала армии А.В. Хрулева, Россия, 199034, Санкт-Петербург, наб. Макарова 8
В статье описано исследование процессов, имеющее целью выявление взаимосвязи воздействия внешней среды на ремонтно-восстановительные органы и воздействия случайных факторов, присущих самой сложной системе и его исследуемых средств обеспечения живучести. Средства обеспечения живучести ремонтно-восстановительны оцениваются критериями. Для защиты подвижных средств технического обслуживания и ремонта, такими критериями являются: критерий материала преграды, толщина используемых листов(бронелистов); критерий оценки специальных средств маскировки, в том числе от высокоточного оружия, критерий оценки обеспечения средствами сохранения живучести.
Ключевые слова: живучесть, сложная система, система защиты
SUBSTANTIATION AND SELECTION OF CRITERIA FOR ASSESSING THE SURVIVABILITY OF REPAIR AND RESTORATION BODIES
S. A. Biryukov, A. D. Makarov, S. G. Dubinin
Military Academy ofLogistics named after General of the Army A. V. Khruleva,
Russia, 199034, St. Petersburg, nab. Makarova 8 The article describes a study of processes aimed at identifying the relationship of the environmental effects of reducing organs and the effects of random factors, inherent in the most complex system and its investigated means of ensuring survivability. The means of ensuring survivability of repair and restoration criteria. The protection of mobile maintenance and repair equipment, such criteria are: the criterion for the material of the barrier, the thickness of the sheets used (armor plates), the criterion for evaluating special means of camouflage, including high-precision weapons, the criterion for assessing the provision of means of preserving survivability
Keywords: survivability, complex system, security system
Анализ и сравнительную оценку вариантов средств обеспечения живучести (СОЖ) ре-монтно-восстановительных органов (РВО) от поражающего действия перспективных боеприпасов (ПД ПБП) осуществим на основе метода
от ПД ПБП
[7,9] метод от ПД ПБП предполагает:
оценки эффективности СОЖ РВО [1,2,3,4,5,6,7,8].
Исходя из теории систем оценки эффективности СОЖ РВО
1Бирюков Сергей Александрович - адъюнкт кафедры технического обеспечения, тел. +7 952 214-76-52, е-таИ: atanuskin@gmail.com;
2Макаров Александр Данилович - доктор юридических наук, доктор экономических наук, профессор, заслуженный деятель науки и образования, основатель научной школы РАЕ, преподаватель кафедры 1 (организации материально-технического обеспечения), тел. +7 962 684-15-80;
3Дубинин Сергей Георгиевич - кандидат технических наук, профессор, начальник кафедры технического обеспечения, тел. +7 931 217-72-17
