CC BY
49
Материалы Международной научно -практической конференции, посвящённой 80-ти летию ФГОУ ВПО Башкирский ГАУ, 2010. С.37-
39.
7. Неговора А.В., Гусев Д.А. Повышение эффективности работы предпускового подогрева двигателя // Проблемы и перспективы развития инновационной деятельности в агропромышленном производстве. Материалы всероссийской научно - практической конференции в рамках XVII Международной специализированной выставки «Агрокомплекс -2007». БГАУ,2007. С.37-40.
8. Неговора А.В., Гусев Д.А. Применение теплоносителя смешанного типа для повышения эффективности тепловой подготовки автотракторной техники // Известия Международной академии аграрного образования. 2013. Т. 4. № 16. С. 196-198.
9. Неговора А.В., Гусев Д.А. Применение теплоносителя смешанного типа для повышения эффективности тепловой подготовки
автотракторной техники // Известия Международной академии аграрного образования. 2013. Т. 4. № 16. С. 196-198.
10. Неговора А.В., Гусев Д.А. Способ интенсификации тепловой подготовки агрегатов автомобиля // Материалы всероссийской научно-практической конференции «ФОНТиТМ-АПК-13» 2013. - С. 233-237.
11. Неговора А.В., Разяпов М.М., Филиппов Ю.К. Предпусковая подготовка двигателя и агрегатов трансмиссии автомобиля к принятию нагрузки // Известия МААО, том 1 - 2012 - №14. -С.265-270.
12. Неговора А.В., Разяпов М.М., Шерстнев Н.А. Повышение эффективности работы жидкостного предпускового подогревателя // Материалы Всероссийской научно-практической конференции в рамках XI Промышленного салона и специализированных выставок "Промэкспо, станки и инструмент", "Сварка. Контроль. Диагностика". 2016. С. 184-188.
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЙ КОНТРОЛЬ ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ КОНЦЕНТРАЦИОННО-
КИНЕТИЧЕСКОГО ПОКАЗАТЕЛЯ
Хотченков Антон Сергеевич
Студент магистр, Санкт-Петербургский Горный университет
Носов Виктор Владимирович
Профессор, д.т.н., зав.кафедры Приборостроения, Санкт-Петербургский Горный университет
АННОТАЦИЯ
Цель исследования: показать то, что концентрационно -кинетический показатель является информативным параметром для определения прочности материалов и технических объектов; доказать информативность параметра на основании исследований процессов разрушения бетона и железобетона, а также исследование потери устойчивости нагруженных труб, на основании регистрации параметров акустической эмиссии (АЭ).
Задачи: Рассчитать и оценить состояния железобетонной балки и стальных образцов трубопровода, а также стальную трубу по результатам экспериментальных исследований.
ABSTRACT
The purpose of the study: to show that the concentration-kinetic index is an informative parameter for determining the strength of materials and technical objects; to prove the informativeness of the parameter on the basis of studies of the processes of destruction of concrete and reinforced concrete, as well as the study of the buckling of loaded pipes, based on the registration of AE parameters.
Tasks: to Calculate and evaluate the state of reinforced concrete beams and steel samples of the pipeline, as well as the steel pipe itself according to the results of experimental studies.
Ключевые слова: акустическая эмиссия, концентрационно-кинетический показатель, прочность, разрушение.
Keywords: acoustic emission, concentration-kinetic index, strength, destruction.
ВВЕДЕНИЕ На сегодняшний день весь мир обеспокоен тем, как определить ресурс, время до разрушения материала и технического объекта, или даже хотя бы определить степень опасности объекта. Ведь зная эти параметры до катастрофы, можно будет спасти множество человеческих жизней. Поэтому все материалы и технические объекты должны подвергаться обязательному контролю. Эти объекты должны выдерживать большую нагрузку и поэтому возрастает требования к обеспечению
технической надежности и эксплуатационной безопасности. Для них, к примеру, до сих пор не разработана теория деформации и разрушения, принимающие реальные физические явления, и не разработаны качественные и четкие критерии, которые могли бы говорить о наступлении полного разрушения при любых видах нагрузки на объект. Существуют множество методов оценки прочности материалов и технических объектов, но к сожалению, это частные модели, которые
упрощённые и идеализированные, поскольку разрушение - это комплекс проблем.
При всем этом более чем актуально стоит задача диагностики состояния материалов и технических объектов. Полный анализ показал, что одним из перспективных путей решения этой проблемы следует признать метод акустической эмиссии. Данный метод обладает более высокой чувствительностью по сравнению с другими методами, что позволяет обнаруживать дефекты структуры материала на уровне скопления дислокаций. При этом анализируются только развивающиеся, т.е. наиболее опасные с точки зрения снижения прочностных свойств изделия, дефекты. Высокая чувствительность акустического метода к проявлениям процессов разрушения материалов и технических объектов позволяет использовать последние для прогнозирования
поведения этих элементов при различных видах силового воздействий с достаточной для практических целей точностью и надежностью.
Железобетонная балка Применение метода акустической эмиссии для диагностики состояния несущих элементов конструкций активно расширяется. Оптимизация диагностирования состояния конструкций возможно на основе информационно -кинетического подхода к диагностированию, опирающегося на микромеханическую модель и вытекающего из неё оценку связанного с ресурсом концентрационно-кинетического акустико-
эмиссионного диагностического параметра WAE. В качестве иллюстрации информативности этого параметра приведён пример обработки данных акустико-эмиссионных испытаний
железобетонных балок (рис. 1).
Рис. 1. а) Схема нагружения балки: 1 - акусто-эмиссионные приемники; Сг - визуально наблюдаемая трещина. б) Режим нагружения балки.
Было выбрано для сравнения два временных участка, это (рис. 2), где нагружения происходит на начальном участке и (рис. 3), где нагружения происходит на стадии перед появлением трещины. 1) Балка за долго до появления трещины
Рис. 2. Нагружения на начальном участке.
Формула нахождения диагностического параметра Wae, значение которого связано со степенью опасности дефектов, временем до разрушения, пределом прочности с*, разрушающей нагрузкой Fp, где
Wae определяется по формуле:
WAE, =
d ln(Q dK„
где £ - информационный параметр, в качестве которого используют интенсивность ш АЭ, накопленных на этапе однородного разрушения; Кн — коэффициент нагрузки. Величина максимальной нагрузки диагностического нагружения.
•[а]
= 102,8 кН
Рраб
Коэффициент нагрузки вычисляется по формуле:
К„=-
F
П
Граб
В качестве информативных принимаем значения интенсивности АЭ и усилия в момент выдержки на 320 с и 500 с.
Wae, =
d ln(£) dln(in)
dKH ln 37
F2-F± ln 19
^раб
ln(in)5oo - ln(in)3
73,58 - 49,05 2) Балка перед появлением трещины
102,8 =
^500
0,6664 (24,53)
^320
102,8 = 2,79
^раб
Рис. 3. Нагружения на стадии перед появлением трещины.
В качестве информативных принимаем значения интенсивности АЭ и усилия в момент выдержки на 620 с и 760 с.
W^ =
dlntf) dln(in)
dtf,
н - ^
ln 68 — ln 27 93,2 -83,39
F =
граб
102,8=
ln(tn)760 - ln(m)6
0,9236 (9,81) ^
,„ ^620 102,8 = 9,67
' ^раб
Полученные результаты WAE мы сопоставляем с таблицей, после этого делаем заключение о состоянии объекта контроля. [WAE] мы принимаем за 1, а требуемый нормативный коэффициент запаса прочности [S] равен 1,1 по СНиП 2.01.07-85, то есть [S] [Wae] = 1,1.
Как мы видим, что WAEi=2.79 и это больше 1, а значит, что балка с пониженной прочностью, что и доказал эксперимент, (трещина возникла при нагрузке ниже рабочей, что по СНиП при работе не допустимо) и с разрушающей нагрузкой 190 кН. То есть перед появлением трещины (на 772 с) состояние балки резко ухудшилось, и это доказывает показатель WAE2=9,67, который в 3 раза больше WAE1 и он также информативен, ресурс (время до появления трещины) снизился в 20 раз.
На основании этих расчетов была сделана оценка состояния железобетонной балки, где балка
относиться к IV классу опасности, то есть балка считается неработоспособной аварийной.
Стальные образцы и трубы
Так же на (рис. 4) были проведены экспериментальные исследования по одноосному растяжению плоских стальных образцов, изготовленных из конструкционной стали марки 40ХФА (ГОСТ 4543-71, предел текучести сТ = 730 МПа, предел прочности сВ = 880 МПа). Стальные образцы со стыковыми сварными швами в средней части имели следующие линейные размеры: 100 х 80 х 20 мм, при этом электросварной шов имел явные дефекты сплошности в виде подрезов глубиной 1...2 мм.
Видно, что этап однородного разрушения металла стального образца действительно описывается прямолинейным участком (интервал времени t ~ 1920...4700 с),
а б
Рис. 4. Зависимость диагностических параметров акустической эмиссии от времени нагружения (а) и величины эффективного механического напряжения металла стального образца (б).
1) Берем в расчеты интервал АЭ Ln A и усилия в момент нагружения 1920 с и 4200 с
WAEl =
d ln(0 _ d ln(A)
H u2 - U1
10.6-9.1 700- 360^
ара0 = '
ВД4
ln(A)i
■ ' ара0 =
700 =
1.5 (340)
700 = 3.08
2) Берем в расчеты интервал АЭ Ln N и усилия в момент нагружения 1920 с и 4200 с.
dln(0 dln(N) ln(N)4200 -ln(N)i920
WAE, = - = --— ' ара0 =--Ъ
1 л Ts _ _ "рао _ _ ~ра0
1 H °2-°1 &4200 - &1920
6.5 - 5.1 1.4
700 = ^—г - 700 = 2.88
700 - 360
(340)
[WAE] = YR • сграо = 0,01 -700 ^7 где Yr ^ 0,01, а.
рао
700 МПа
На (рис. 5) показаны графики зависимостей диагностического параметра акустической эмиссии от времени и величины эффективного механического напряжения металла стальной трубы.
Видно, что этап однородного разрушения металла стальной трубы описывается прямолинейным участком (интервал времени t ~ 1166...4409 c для I стадии нагружения стальной трубы и интервал времени t ~ 5407...6170 c для II стадии нагружения стальной трубы).
Следует заметить, что в I стадии нагружения стальной трубы скорость возрастания эффективного механического напряжения металла равна с =0.069 МПа/с, во II стадии нагружения стальной трубы скорость нарастания эффективного механического напряжения металла равна с =0.162 МПа/с.
Внешний диаметр стальной трубы, изготовленной из стали марки 09Г2С (ГОСТ 19282-73, предел текучести сТ = 325 МПа, предел прочности сВ = 470 Мпа), был равен d= 1420 мм, средняя толщина стенки равна h=18 мм.
а б Рис. 5. Зависимость диагностического параметра акустической эмиссии от времени нагружения (а) и величины эффективного механического напряжения металла стальной трубы (б) I, II - стадии
нагружения стальной трубы.
Берем в расчеты интервал АЭ Ln N и усилия в момент нагружения 1166с и 4409с
W"i= dK,
dlntf) dln(N)
°2 - °1
8.8 - 72 370- 155
■ ара0 = ■
ln(N)4409 - ln(N)1
0ДДПО 0-1
300 =
1.6 (215)
4409 w1166
300 = 2.23
°ра0 =
Исходный ресурс материала:
Nc =
NB
1077
50118723
exp(WAE) exp(223) 9.3
■= 5 389 110 Циклов
Nв - Характеристический параметр материала. ( « 106,5 + 108,8 )
Полученные результаты ^^де мы сопоставляем с таблицей, после этого делаем заключение о состоянии объекта контроля. ^м] мы принимаем за 7 из расчетов. Стальные образцы относятся ко II кассу опасности источников АЭ.
о
Таблица 1.
Оценка работоспособности изделия и классификация источников АЭ по параметру WAE
Вид состояния, кчасс опасности источник;! АЭ Днагно стичес кий признак Характеристика работоспособности изделия н источника АЭ
I Менее трех сигналов АЭ, WAE <0 Работоспособное, пассивный
II 0 < W№ < [(Где] Работоспособное, активный
III »ah > |И ul Ограниченная работоспособность, критически активный, грузоподъемность крана после ремонта на всех вылетах должна быть снижена не менее чем на 25% (кран должен быть переведен в более низкую размерную группу)
IV »ae > [S] [Wae] Неработоспособное, катастрофически активный. Кран подлежит снятию с эксплуатации и списанию либо должна быть произведена замена дефектного узла.
Вывод
В течение долгого времени поиск и локализация зарождающихся трещин были затруднены, поскольку существующие на тот момент методы диагностики не позволяли их выявить. С появлением метода акустической эмиссии и развитием теоретической и прикладной базы позволило с достаточной точностью находить трещины и прогнозировать долговечность и надежность конструкции.
Метод акустической эмиссии является наиболее ценным и перспективным методом неразрушающего контроля и технической диагностики. Сфера использования метода постоянно расширяется. Однако наиболее востребованной и ответственной областью применения метода АЭ остаётся оценка параметров прочностной надёжности.
При помощи экспериментального исследования, были получены графики интенсивности АЭ от времени, график нагружения действующее на ОК от времени. На основании анализа графиков были определены два параметра, Рраб величина максимальной нагрузки диагностического нагружения и
концентрационно-кинетического диагностического показателя WAE, значение которого связано со степенью опасности дефектов. Полученные результаты WAE мы сопоставили с (таблица 1), после этого сделали заключение о состоянии объекта контроля. Результаты экспериментальных исследований показали, что концентрационно-кинетический показатель WAE является информативным параметром.
Список литературы
1. Загидулин Т.Р., Загидулин Р.В., Осипов К.О. К прогнозированию разрушения металлоконструкции на основе результатов комплексного акустико-эмиссионного и магнитного контроля металла. Научный журнал. Вестник Башкирского университета. 2017. Т. 22. №2
2. Махмудов, В.С. Куксенко, Н.Г. Томилин, А.В. Бенин. Диагностика потери устойчивости нагруженных железобетонных балок. Вестник ТГУ, т.18, вып.4, 2013
3. Носов В.В. Принципы оптимизации технологий акустико-эмиссионного контроля прочности промышленных объектов// Дефектоскопия, № 7, 2016, с. 52-67.
