CC BY
212
УДК 620.179.16
А. А. Хлыбов, В. В. Колыванов
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГРЕБНЫХ ВАЛОВ
Одним из главных свойств любого технического изделия является безотказность, долговечность, ремонтопригодность и способность сохранять возложенные на изделие функции в течение назначенного времени эксплуатации.
Одним из элементов судна является валопровод. Надёжность валопровода обеспечивается, если он сохраняет прочность, жёсткость, устойчивость и выносливость при гарантированной долговечности.
Гребной вал изготовлен из стали 35 с механическими характеристиками после нормализации Оо2 = 245 МПа, а в = 470 МПа. В процессе эксплуатации вал подвергается существенному износу: выработка, коррозионные разрушения, трещины, раковины, расслоения. Для восстановления гребного вала используется технология наплавки. Наплавка допускается, если износ не превышает 5 % от диаметра вала, но не более 15 мм. В качестве наплавляемого материала используется малоуглеродистая сварочная проволока СВ-08А диаметром 2 мм под слоем флюса АН-348 АМ. Температура подогрева перед сваркой 200-250 °С. Дополнительную термообработку после наплавки не производят [1]. Толщина наплавленного слоя 6 мм.
В процессе эксплуатации имеют место случаи усталостного разрушения валов, в частности в работе были исследованы разрушенные гребные валы судов проекта 908. Разрушение произошло в районе носовых опорных шеек гребных валов (рис. 1). Для исследования причин разрушения в области разрушения гребного вала были вырезаны образцы.
Анализ изломов показывает, что разрушение имеет усталостную природу. Результаты металлографических исследований свидетельствуют, что основной металл вала имеет микроструктуру: феррит, перлит. В наплавленном слое наблюдаем мелкозернистую структуру. В зоне термического влияния (переходная зона) структура металла характеризуется как мелкозернистая по сравнению со структурой металла основы. Это свидетельствует о том, что наплавленный слой быстро охлаждался. Температура массивного вала меняется незначительно. Неоднородность температурных полей и структурные изменения в металле являются причиной возникновения внутренних напряжений в наплавленном слое.
Для оценки технического состояния гребных валов была разработана методика, в основе которой лежит анализ параметров упругих волн, распространяющихся в контролируемой среде [3, 4]. Для исследований применялся измерительно-вычислительный комплекс «Астрон», позволяющий с высокой точностью (до 10-9 с) проводить измерения задержек (времени распространения) упругих волн и затухания в диапазоне частот 1.. .50 МГц. Прибор работает в импульсном режиме. «Астрон» работает как в совмещенном режиме (работа с одним датчиком), так и в раздельно-совмещенном (прием и излучение упругих волн осуществляются по разным каналам).
При исследовании усталостного разрушения валов использовались поверхностные волны Рэлея (ПАВ). Схема акустических измерений представлена на рис. 2. Измерения проводились
3975
Рис. 1. Эскиз средней части гребного вала
на частоте 3 МГц, что позволяло контролировать свойства поверхностного слоя толщиной 1,5 мм. Измерения проводились вдоль оси вала. Шаг сканирования 5 мм. Начало измерений -от зоны разрушения. Поверхностная волна распространялась перпендикулярно оси вала.
Для возбуждения и приёма поверхностных волн использовался клиновидный датчик с углом ввода 54°. Датчики поверхностной волны (приёмный и передающий) выполнены в одном конструктиве с жёсткой базой. Это обеспечивало постоянство зоны контроля.
На точность результатов акустических измерений сильное влияние оказывает температура контролируемой среды. Для компенсации влияния температуры в расчётный алгоритм были внесены соответствующие корректирующие температурные поправки. Такая схема измерений позволила автоматически учитывать температуру и тем самым уменьшить ошибку измерения.
С учётом шероховатости поверхности, неравномерности прижатия, прилегания контактной смазки, погрешность измерения задержки составила не более 0,4 %. Эта задержка не зависит от температуры и определяется только свойствами контролируемой зоны.
На рис. 2 представлены результаты измерения задержки поверхностной волны (расстояния указаны от мест начала измерения).
4 540
о
и
2 4 520
| 4 500 а
§ 4 480 оо
4 460
° О О о о-* 0
20 40 60
Расстояние, мм а
80
Расстояние, мм б
Рис. 2. Результаты измерения задержки поверхностной волны: а - для вала № 1; б - для вала № 2
0
Анализ изменения задержки поверхностной волны (рис. 2, а, б) показывает, что в зоне разрушения (длиной до 20 мм) наблюдается значительное изменение задержки поверхностной волны, далее сохраняется постоянный уровень задержки. Такие изменения говорят о необратимых процессах, протекающих в материале образца в окрестности концентратора напряжений (шейки вала), релаксации напряжений в зоне разрушения.
Используя продольные волны, можно определить наличие областей с коррозионными повреждениями, воздушные или заполненные области между наплавкой и основным металлом вала, а также другие несплошности между наплавкой и основным металлом вала. Типичная диаграмма наличия несплошностей представлена на рис. 3. На рис. 3, а видим отраженный импульс от границы наплавки. Если границы отражения между наплавкой и основным металлом не существует, то мы наблюдаем отраженный импульс от противоположной поверхности вала (рис. 3, б). Задавая скорость продольных волн и сканируя по поверхности вала, получаем область с внутренними отслоениями, коррозионными повреждениями. На экране прибора видна также толщина наплавки, что позволяет оценить величину износа. Такая информация особенно актуальна для валов с облицовкой из антикоррозионных материалов (латунь, нержавеющие стали).
Импульс от поверхности вала
------=3^1!----ци-------
б
Рис. 3. Осциллограмма импульса при контроле наплавки (облицовки) гребного вала: а - наличие внутренних расслоений; б - отсутствие внутренних расслоений
Опорный
импульс
а
Акустический метод контроля позволяет измерять суммарные напряжения: первого (напряжения 1 рода, уравновешивающиеся в пределах детали или конструкции) и второго рода (напряжения 2 рода, уравновешивающиеся в пределах кристаллитов структуры металла).
Скорость распространения упругих волн в зависимости от приложенного механического напряжения (уравнение акустоупругости) изменяется следующим образом [2]:
АУ
V
- вх - О! + В2
где а! и О2 - соответственно напряжения, параллельные и перпендикулярные направлению
распространения волны; А У -
У - У
Уп
изменение скорости распространения упругой волны;
V - текущее значение скорости, м/с; V - начальное значение скорости при значениях напряжений равных нулю, м/с; В1, В2 - коэффициент акустоупругой связи материала, МПа-1.
В уравнении акустоупругости удобнее использовать время распространения упругих волн. Соответственно, эти уравнения выглядят следующим образом:
ДТ1 п л Дтт т-, т-,
1 = В^1 + В2С2, —2 = В^1 + В2С2,
*2п
где О1 и О2 - соответственно поверхностные напряжения во взаимно перпендикулярных направлениях; Дт^ и ДТ2 - изменения задержек импульсов упругих волн; Т10 и Т20- соответствующие задержки импульсов для ненапряженного материала; В1 , В2 - коэффициенты акусто-упругой связи, определяемые экспериментально для конкретного материала.
Для того чтобы проводить оценку напряженного состояния, необходимо провести измерения с целью градуировки. Датчик установлен таким образом, чтобы ось датчика (излучатель-приемник) совпадала с осью образца: вдоль линии растяжения образца. Затем датчик устанавливали перпендикулярно прикладываемой нагрузке, нагружая систему ступенчато с шагом 0,10о2. Прикладывая одноосные ступенчатые нагрузки в области упругих деформаций (величина ступени равна ОДО02) к плоским образцам из стали 35, найдем коэффициент В для этих образцов. Зависимость скорости упругих волн от величины приложенных напряжений представлена на рис. 4. Были получены следующие значения для стали 35: В1 = 9 • 10-6 МПА-1, В2 = 6 • 10-6 МПА-1.
240 480 а, МПа
Рис. 4. Зависимость изменения скорости распространения упругих волн от величины приложенных напряжений: а - сдвиговая волна, направленная вдоль прикладываемого напряжения; б - сдвиговая волна, напрвленная перпендикулярно прикладываемому напряжению; в - продольная волна
Для исследований изменения характеристик металла по толщине вала на расстоянии 5 мм от зоны разрушения были вырезаны образцы. Схема и расположение вырезанных образцов представлены на рис. 5.
Рис. 5. Расположение образцов для проведения исследований
На рис. 6 показано распределение твердости по толщине гребного вала (от поверхности до центра вала). Измерение твердости производили по Роквеллу (шкала В). Шаг сканирования
2 мм. В зоне термического влияния в материале гребного вала под наплавленным покрытием наблюдается увеличение твердости. Это подтверждает, что в процессе наплавки протекает процесс более быстрого охлаждения в слое, прилегающем к холодному металлу вала. В основном металле вала твердость практически не меняется.
Рис. 6. Распределение твердости по толщине гребного вала: а - вал № 1; б - вал № 2
Для оценки напряженного состояния по толщине вала использовались продольные и сдвиговые волны (на частоте 5 МГц). Упругие волны распространялись перпендикулярно поверхности среза. Измеряли время распространения упругих волн по всему срезу вдоль диаметра среза вала (от поверхности до середины контролируемого вала). Шаг сканирования 2,5 мм [4]. Измерения проводили на срезе вала толщиной 10 мм (рис. 5). Далее, используя уравнения акустоупругости, пересчитывали изменения задержек в значения напряжений.
На рис. 7 приведены усреднённые данные по распределению напряжений в исследованных образцах. За начало измерения взята поверхность валопровода.
Таким образом, исследования причин разрушения гребных валов судов, восстановленных методом наплавки под слоем флюса, позволяют сделать следующие выводы.
1. Место разрушения гребных валов в рассматриваемых случаях - район галтели носовой шейки.
2. Характер разрушения гребных валов - усталостное разрушение.
3. Причина разрушения гребных валов - нарушение технологии наплавки и возникновение значительных остаточных напряжений в наплавленном слое.
4. В результате исследований предложена методика оценки остаточных напряжений акустическим методом и методика определения внутренних областей коррозионных повреждений и толщины оставшегося металла.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. РБ 212.0080-87. Правила. Автоматическая наплавка стальных цилиндрических деталей углеродистой коррозионностойкой сталью под флюсом. Основные положения. - М., 1988.
2. Неразрушающий контроль: справ. / под ред. В. В. Клюева. - Т. 4. - М.: Машиностроение, 2004. - 736 с.
3. Алешин Н. П., Углов А. Л., Хлыбов А. А., Прилуцкий М. А. Об особенностях использования акустического метода контроля напряженного состояния трубопроводов из сталей с регулируемой прокаткой // Контроль. Диагностика. - 2008. - № 1. - С. 28-30.
4. Хлыбов А. А., Углов А. Л. Оценка остаточных напряжений в трубопроводах из стали 08Х18Н10Т // Контроль. Диагностика. - 2009. - № 6. - С. 32-35.
5. Хлыбов А. А. Оценка состояния изделий ножевой продукции, подвергаемых термической обработке. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2009. - Т. 75, № 4. - С. 54-57.
Статья поступила в редакцию 21.10.2009
ESTIMATION METHOD OF TECHNICAL STATE OF PROPELLER SHAFTS
А. A. Khlybov, V. V. Kolyvanov
Reasons of destroying of propeller shafts of river vessels are investigated in the paper. The results of the research are given. A possibility to use elastic waves for technical state estimation of propeller shafts is shown.
Key words: propeller shaft (shafting), elastic waves, mechanical strain.
