CC BY
46
МЕТОДЫ ВЫЯВЛЕНИЯ И СНИЖЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ Тажибаев Азат Рауилович, студент (e-mail: azat-raul93@mail.ru) Тажибаева Александра Валерьевна, аспирант
(e-mail: alekkuzmina@mail.ru) Бикбулатова Голия Ильдусовна, к.т.н., доцент (e-mail: bikbulatova.ngo@mail.ru) Альметьевский государственный нефтяной институт, г.Альметьевск, Россия
В данной статье рассматриваются методы выявления и снижения остаточных напряжений в сварных соединениях. Лист металла после сварки обладает остаточными напряжениями, которые могут послужить причиной преждевременного разрушения металлической конструкции. В статье предлагается метод магнитной анизотропии для своевременного выявления напряжений в околошовной зоне. Для снижения напряжений в околошовной зоне в статье рассматривается метод ультразвуковой ударной обработки с использованием технологического комплекса «Шмель». В статье приведены результаты исследований сварных швов металлических образцов до и после ультразвуковой ударной обработки.
Ключевые слова: метод магнитной анизотропии, ультразвуковая ударная обработка, сварное соединение, уторный шов
В настоящее время применение композиционных материалов постепенно вытесняют использование металла. Но абсолютно все металлические детали заменить композитами невозможно, так как метал обладает несравненным преимуществом - возможностью сваривания металлических конструкций. С помощью сварки на нефтеперерабатывающих станциях возводят резервуары для хранения нефтепродуктов. Листы металла сваривают друг с другом, формируя цилиндрический корпус резервуара. Наиболее уязвимым местом конструкции вертикального цилиндрического резервуара является уторный шов, который представляет собой сварной шов соединения стенки с днищем резервуара [1]. Для предотвращения досрочного разрушения сварной конструкции в данной статье предлагается такой метод контроля состояния сварных соединений, как метод магнитной анизотропии. В качестве метода обработки сварных соединений при строительстве резервуаров рассматривается метод ультразвуковой ударной обработки (УУО) металлических конструкций.
Для выполнения лабораторных испытаний на технологическом сканере напряжений «StressVision Antistress» и технологическом комплексе «Шмель» был выполнен образец с крестовым стыковым сварным соединением (рис.1). Размер образца составляет 350х350х8 мм. В качестве материала была выбрана сталь марки 09Г2С.
п
Рисунок 1 - Образец с крестовым сварным соединением
Для контроля сварных соединений методом магнитной анизотропии был выбран технологический сканер напряжений «StressVision Antistress». Данное устройство производится в г. Санкт-Петербург компанией ООО «Феррологика» [2]. Внешний вид технологического сканера напряжений «StressVision Antistress» представлен на рис.2.
Рисунок 2 - Технологический сканер напряжений «StressVisюn Antistress»
Принцип работы технологического сканера состоит в исследовании поля напряженно-деформированного состояния образца контроля с помощью выходного сигнала преобразователя, который по результатам сканирования пропорционален разности главных механических напряжений (РГМН) - о3. Согласно критерию пластичности Треска (критерий наибольших касательных напряжений), пластические деформации металлов и сплавов наступают в том случае, когда наибольшее касательное напряжение достигает некоторого определенного значения: ттах = [3].
Результаты сканирования РГМН представляются в условных единицах (у.е.). В случае калибровки прибора при одноосном нагружении экспериментальных образцов из требуемых марок стали с заданной структурой,
возможен перевод значений РГМН из у.е. в единицы измерения механического напряжения МПа. Применение прибора без калибровки, позволяет унифицировать его при работе на разных марках стали и применять результаты измерений для качественной оценки изменений напряженного состояния исследуемых объектов контроля при применении управляемых воздействий.
Остаточные сварочные напряжения, вызванные тепловыми воздействиями в процессе сварки и после остывания металла, образуют область растягивающих напряжений вдоль сварного шва с переходом через зону термического влияния в область сжимающих напряжений основного металла [4]. Результаты сканирования остаточных напряжений с помощью технологического сканера напряжений «StressVision» не противоречат классической теории сопротивления материалов и сварочных напряжений и деформаций в сварных соединениях (рис.3) [5].
Рисунок 3 - а) Продольные и б) поперечные остаточные сварочные напряжения
Для начала работы в настройки прибора «StressVisюn» вводятся параметры зоны контроля: количество строк, точек, расстояние между точками по Х и Y, после чего прибор готов к работе. Сканирование зоны осуществляется в ручном режиме путём переноса преобразователя строго по координатам и нажатием кнопок проведения измерения на измерительном блоке прибора.
Для ультразвуковой ударной обработки образца металла был выбран технологический комплекс «Шмель» (УУО) (Рис.4).
Рисуок 4 - Внешний вид технологического комплекса «Шмель»
Работа установки «Шмель» заключается в обработке сварного шва ультразвуковой частотой. Главное преимущество данного способа состоит в том, что благодаря ультразвуковому воздействию на металл, уменьшается количество остаточных напряжений в сварных соединениях, образуются сжимающие поверхностные напряжения. После ультразвуковой ударной обработки на металле образуется упрочняющий слой, который увеличивает трещиностойкость металла. Установка «Шмель» компактна и удобна в работе, имеется возможность перемещать устройство для обработки труднодоступных областей детали. После обработки металла установкой «Шмель» в большинстве случаев не требуется термическая обработка сварного шва.
В ходе выполнения лабораторного испытания был рассмотрен образец сварного соединения до и после применения ультразвуковой ударной обработки, выполненной технологическим комплексом «Шмель». Область контроля составила 280х280 мм. Шаг контроля составил 20 мм по оси Х и по оси Y. Всего было исследовано 196 точек измерений для данной зоны контроля. Ориентировочное время контроля составило 8 минут до применения УУО и 8 минут после УУО.
Позиционирование преобразователя сканера напряжений «StressVision Antistress» было расположено вдоль оси Y, вдоль максимальных растягивающих напряжений, вызванных продольными сварочными деформациями сварного шва (рис.5).
Ультразвуковая ударная обработка проводилась в течение 5 минут в области сварного шва и в зоне термического влияния (рис.6).
Рисунок 6 - Процесс УУО сварного соединения
Фотография объекта контроля после проведенной ультразвуковой ударной обработки представлена на рис.7.
Рисунок 7 - Фотография объекта контроля после УУО
После ультразвуковой ударной обработки образец был исследован на технологическом сканере напряжений «Б^еввУшоп АпйБ^евБ». Результат сканирования был выведен в виде картограмм разности главных механических напряжений поверхностного слоя, включающего в себя усредненный результат по глубине от 0 до 3 мм.
Результаты контроля представлены в виде картограмм разности главных механических напряжений (РГМН) с числовыми значениями. На рис. 8 представлена 2Б картограмма РГМН, на рис. 9 3Б картограмма РГМН.
Картограмма 2Б РГМН до примене- Картограмма 2Б РГМН после при-ния УУО менения УУО
Рисунок 8 - Картограмма 2Б РГМН до и после применения УУО
Картограмма ЗБ РГМН до примене- Картограмма ЗБ РГМН после при-ния УУО менения УУО
Рисунок 9 - Картограмма 3D РГМН до и после применения УУО
Для оценки эффективности применения УУО при снятии остаточных сварочных напряжений применен программный модуль ДРГМН программного комплекса «StressVisюn Antistress» (рис.10). Программный модуль производит автоматический расчёт разности значений результатов измерений РГМН двух зон (до и после обработки) с подготовкой картограммы ДРГМН. Данная функция предоставляет оператору возможность оперативно оценить изменения напряженного состояния, которые произошли в результате управляемых воздействий на объект контроля. ДРГМН - это картограмма, отображающая качественную и количественную картину изменений напряженного состояния объекта контроля.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
2D ДРГМН 3D ДРГМН
Рисунок 10 - Анализ результатов с применением модуля ДРГМН.
Для сравнения параметров в таблице 1 представлены статистические параметры для картограммы до и после применения УУО: максимум, минимум, среднее арифметическое, среднее квадратичное отклонение.
Таблица 1 - Статистические параметры картограмм РГМН до и после УУО
Слой Максимум, у.е. Минимум, у.е. Среднее арифметическое, у.е. Среднее квадратичное отклонение, у.е.
До УУО, поверхностный слой 196,00 -302,85 -158,49 99
После УУО, поверхностный слой 119,26 -247,41 -78,63 69
После произведенного сравнительного анализа образца можно сделать заключение, что характер образа РГМН на картограммах области контроля демонстрирует наличие неоднородности поля механических напряжений в виде остаточных сварочных напряжений, где локальное применение ультразвуковой ударной обработки снижает данную неоднородность. Анализируя эти данные, можно сделать вывод, что в результате применения ультразвуковой ударной обработки среднее арифметическое РГМН снизилось 2 раза!
Общая неоднородность характеризуется значениями среднеквадратиче-ского отклонения (СКО) во всей области контроля. Чем меньше становится значение СКО по результатам снятия остаточных напряжений, тем выше технологичность проведения управляемых воздействий. Отметим, что СКО снизилось на 30%.
Применение программного модуля ДРГМН программного комплекса «StressVision Antistress» позволило оперативно и наглядно оценить изменения напряженного состояния объекта контроля, в том числе сопоставить степень управляемых воздействий и степень произошедших изменений напряженного состояния объекта контроля.
Список литературы
1. Зиякаев Г.Р., Куклин Е.О. Расчет на прочность сварного уторного шва резервуара рвс-30000 // XIII Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы машиностроения», 2020 г.
2. Сканер механических напряжений STRESSVISION [Электронный ресурс] // URL: https://stressvision.ru/ (дата обращения 26.09.2021)
3. Волчков Ю.М. Механика деформируемого твердого тела. (теория пластичности) // Материалы к лекциям для студентов 4-го курса ММФ, Новосибирский государственный университет, 2011 г.
4. Овчинников В.В. Дефектация сварных швов и контроль качества сварных соединений // Учебник для студ. учреждений сред. проф. образования, 3-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2017. - 224 с.
5. Сальманов И.Д., Барановский М.Ю., Тарасов В.А. Остаточные напряжения и деформации при сварке // Строительство уникальных зданий и сооружений, 12(27), 2014. - 64-75 с.
6. Технологический комплекс "ШМЕЛЬ" [Электронный ресурс] // URL: https://magnitsp.ru/catalog/oborudovanie-dlya-snyatiya-ostatochnykh-napryazheniy/shmel/ (дата обращения 10.10.2021)
Tazhibaev Azat Rauilovich, student
(e-mail: azat-raul93@mail.ru)
Almetyevsk State Oil Institute, Almetyevsk, Russia
Tazhibaeva Alexandra Valerievna, graduate student
(e-mail: alekkuzmina@mail.ru)
Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev-KAI, Kazan, Russia Bikbulatova Goliya Ildusovna, PhD in Engineering, associate professor Almetyevsk State Oil Institute, Almetyevsk, Russia (e-mail: bikbulatova.ngo@mail.ru)
METHODS FOR DETECTING AND REDUCING RESIDUAL VOLTAGE IN WELDED CONNECTIONS
Abstract. This article discusses methods for identifying and reducing residual stresses in welded joints. The metal sheet after welding has residual stresses that can cause premature destruction of the metal structure. The article proposes a magnetic anisotropy method for timely detection of stresses in the heat-affected zone. To reduce stresses in the near-weld zone, the article discusses the method of ultrasonic shock treatment using the technological complex "Shmel". The article presents the results of studies of welded joints of metal samples before and after ultrasonic shock treatment.
Keywords: magnetic anisotropy method, ultrasonic shock treatment, welded joint, chime seam.
