CC BY
7
УДК 621.7.04; 621.7.08
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-514-520
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПЛОСКИХ РАЗРЫВНЫХ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ МЕМБРАН
А.И. Олехвер, Д.С. Тараканов, С.А. Войнаш, Р.Р. Загидуллин, Л.С. Сабитов, В.А. Соколова, Е.В. Копаев
Проведено исследование процесса деформирования и разрушения мембран с сопровождением и регистрацией сигналов акустической эмиссии (АЭ). Предложено техническое решение, которое позволяет производить оценку отклика материала образца по спектру сигналов АЭ без пластического деформирования мембран, но требуются дальнейшие исследования.
Ключевые слова: мембрана, акустическая эмиссия, механические испытания, неразрушающий
контроль.
Мембранные предохранительные устройства применяются для защиты различных объектов и устройств от перегрузок давлением. Они нашли применение в различных отраслях промышленности: тепловая и атомная энергетика; нефтедобыча, нефтехимия и нефтепереработка (рис.1); химия; металлургия; транспорт; машиностроение.
Рис. 1. Оборудование на нефтеперерабатывающем предприятии
Материалы и методы исследований. При опасном повышении давления предохранительные мембраны срабатывают (разрушаются - рис.2) и освобождают проходное сечение с большей пропускной способностью для сброса излишнего давления в системе. В том числе, например, в нефтегазовом промысле предохранительные мембраны могут применять совместно с пружинными клапанами, с целью увеличения их срока службы.
Рис. 2. Узлы эксплуатации мембран: а - разрушенная мембрана; б - пружинный клапан
Главными достоинствами таких предохранительных устройств является их конструктивная простота, компактность, необходимая герметичность и стойкость к коррозии химических сред, а также быстродействие и точность срабатывания.
Так как в основном мембрана служит предохранительным элементом, то основная проблема при ее производстве - это контроль интервала давления срабатывания.
Стандартная методика испытаний давления срабатывания мембран основывается на разрушающем виде контроля. Принцип такого контроля в том, что из партии отбирается некоторое количество
514
изделий, после чего они нагружаются на специальных стендах до тех пор, пока не происходит их разрушение. При этом фиксируется то давление, при котором мембрана сработала. После таких испытаний свойства испытанных мембран приписываются всей партии. Для динамических испытаний применяются установки, в которых используются: взрыв горючей смеси, вакуум, гидравлический удар. Примеры нескольких установок для испытаний предохранительных мембран представлены на рис.3-5 [1,2].
редуктор; 4 - клиноременная передача; 5 -вентили; 6 - маслобачок; 7 - одноплунжерный насос; 8 - маховик; 9 -испытываемая мембрана; 10 - держатель мембраны; 11 - баллон;
12 - манометры
Рис.4. Установка УкрНИИХИММАШ: 1 - гидропресс, 2 - манометр, 3 - вентиль, 4 - маслобачок,
5 - маслонасос, 6 - электродвигатель
Рис. 5. Установка для продолжительных испытаний при повышенных температурах: 1 - баллон
со сжатым воздухом или азотом; 2 - редуктор; 3 - вентиль; 4 - контрольне манометры; 5 - магнитные вентили; 6 - крышки люков; 7 - изоляция; 8 - нагреватель; 9 - держатель мембран;
10 - испытуемые мембраны; 11 - пульт управления
Применяя методы неразрушающего контроля изделий, появляется возможность контролировать качество всех изделий в партии (сплошной контроль), а не только определенной выборки, а также проводить контроль в процессе эксплуатации изделия, что невозможно при применении разрушающих методов контроля.
Актуальность темы заключается в возможности обеспечения неразрушающего контроля давления срабатывания плоских предохранительных мембран при помощи неразрушающего метода контроля.
Одним из перспективных методов контроля предохранительных мембран является метод АЭ [3]. Метод АЭ позволяет контролировать качество труднодоступных объектов, в процессе эксплуатации при повышенных температурах; давать оценку наличия и развития дефекта; обладает высокой чувствительностью, пассивностью, дистанционностью. [2].
В статьях [3-5] приводятся результаты регистрации сигналов АЭ в процессе деформирования и разрушения мембран, метод позволяет фиксировать четкие амплитудные и мощностные колебания объекта исследования. Однако, на практике методов неразрушающего контроля недопустимы остаточные деформации изделия, контроль необходимо проводить только в упругой зоне деформаций.
Первым этапом исследования для построения и оценки взаимосвязи параметров сигналов АЭ является испытание материала. Диаграмма "интенсивность напряжений - интенсивность деформации", определяемая по результатам механических испытаний на растяжение, применяется не только для описания функциональной зависимости а. =Ф() в технологических расчетах, но и для оценки условий
ограничения пластической деформации, связанных с переходом деформируемого металла в различные предельные состояния, что важно например, для решения задач прогнозирования технологических отказов (складко- и гофрообразования, локализации деформации и разрушения) [2].
Процесс деформации пластичных материалов, находящихся в вязком состоянии, можно разделить на четыре основные стадии: 1) упругопластическое деформирование; 2) устойчивое пластическое деформирование; 3) неустойчивое пластическое деформирование; 4) разрушение.
С учетом принятых показателей деформации принимаем гипотезу о единой кривой деформационного упрочнения, строящейся в координатах Е. — а.. Кривая упрочнения «Е. — а.», построенная
по результатам испытания на растяжение, может быть применена для оценки предельных состояний в любых процессах пластической деформации, в том числе немонотонных.
Результаты и их обсуждение. На кафедре Е-4 БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова с использованием оборудования ЦКП «Центр исследования материалов» были проведены испытания, их целью является определение уровня и параметрических характеристик сигналов АЭ. При испытании на растяжение образцов из различных материалов сигналы АЭ регистрируются при пластической деформации вплоть до разрушения образцов. На рис.5 представлены типовые диаграммы изменения интенсивности напряжений а. и параметров АЭ (интенсивности N и амплитуды V) в зависимости от времени протекания процесса растяжения. Анализ диаграмм показывает небольшой разброс в абсолютных значениях амплитуды и интенсивности сигналов АЭ в соответствующие промежутки времени. Следует отметить, что некоторые различия имеются при этом и в значениях напряжений (сплошные и пунктирные линии). Тем не менее, достаточно высокая сходимость результатов измерения АЭ-сигналов в серии испытаний однотипных образцов из одного материала в одинаковых условиях нагружения подтверждает достоверность данных и возможность разработки методики контроля производственных процессов на основе использования метода АЭ.
Характерной особенностью АЭ-диаграмм N=N(1) и и=и(т), где т - время, является наличие двух выраженных пиковых значений. Первое из пиковых значений характеристик АЭ отвечает, как правило, моменту начала интенсивной пластической деформации образца по всему его объему и достижению предела текучести, а второе ('Ц'тах,и'тах), предположительно, - моменту начала потери устойчивости пластического формоизменения (образованию шейки) и, соответственно, достижению интенсивности предельного устойчивого напряжения.
4 8 V 0 4 8 х,с
Рис.6. Совмещенные диаграммы «а. — т» (1, 2) и характеристик АЭ «И-т» (3, 4) и «и—т» (5, 6) при испытании образцов из сплава Амг6: а - £ = 293 К; б - £ = 77 К
Для проведения испытаний было изготовлено 5 стандартных плоских образцов согласно ГОСТ 11701-84 из стали 12Х18Н10Т (рис.7), которые подвергаются растяжению с регистрацией сигналов АЭ (рис.8).
Рис. 7. Эскиз плоского образца
Рис. 8. Испытание образца на растяжение с АЭ
Исходя из полученных результатов были построены зависимости параметров сигнала АЭ при растяжении образцов №1 и 3 (рис.9-10).
а)
1 ....................!............. i .......................;...............
к Л Л ................ j J 1 \
\ Л N Ч IV ш\ N / /
■ к» .................; ЙЖ. к»
в) г)
Рис. 9. Параметры АЭ при растяжении 1 образца
Были построены совмещенные графики «P-Al», зависимость количества импульсов от времени и амплитуды от времени для всех испытанных (рис. 12).
Ниже на рис. 13 представлены графические зависимости распределения активности и мощности АЭ от времени, совмещенные с кривыми упрочнения «а-е» образцов на растяжение.
Анализ материалов позволяет заключить, что первичный «всплеск» активности АЭ соответствует началу текучести материала, затем несколько в процессе равномерной пластической деформации, выраженный «всплеск» в зоне предела устойчивой локализованной деформации, и в момент разрушения образца. Это согласуется с материалами, представленными в работе Буниной Н.А., а также совпадают количественно значения активности АЭ. На испытуемых образцах максимальные значения были в диапазоне от 10 до 14 имп/сек.
л»
400
:оо
----
о «с; о_4 се
Рис. 11. Обобщенная кривая упрочнения стали 12Х18Н10Т
СЕ*'н мин
Рис.12. Совмещенные графики «Р-А1», зависимость количества импульсов от времени
и амплитуды от времени
12 3
кс
Рис.13. Совмещенные графики «а-£»> образец №1, зависимость количества импульсов от времени и амплитуды от времени: 1 - кривая упрочнения; 2 - график активности АЭ;
3 - график мощности АЭ 518
Выводы. В заключение хочется отметить, что на сегодняшний день отсутствуют средства не-разрушающего контроля качества предохранительных мембран, невозможен сплошной контроль выпускаемой продукции. Метод АЭ наиболее перспективный для решения этой задачи.
Материал мембран, согласно фенологической теории разрушения, в процессе деформирования проходит несколько уровней до разрушения - предельных состояний, которым соответствуют определенный уровень поврежденности материала. Анализ работ отечественных ученых позволяет заключить, что есть связь между состоянием материала и структурой сигнала АЭ, испускаемого им.
Проведено исследование процесса деформирования и разрушения мембран с сопровождением и регистрацией сигналов АЭ. Предложено техническое решение, которое позволяет производить оценку отклика материала образца по спектру сигналов акустической эмиссии без пластического деформирования мембран, но требуются дальнейшие исследования.
Исследования проводятся в рамках развития проектов, поддержанных ФГБУ «Фонд содействию развития малых форм предприятий в научно-технической сфере» по тематике исследований «Разработка методики оценки эксплуатационных свойств упругих элементов различного назначения методом акустической эмиссии» (Проект №55586, ООО «ПРО ФЕРРУМ»), «Разработка прототипа программно-аппаратного комплекса для контроля давления срабатывания предохранительных мембран из нержавеющей стали методом акустической эмиссии» (Соглашение №4432ГС1/72595 ООО «НДПС») [3-6].
Список литературы
1. Ольховский Н.Е., Зинин В.Я., Малахов Н.Н. Разрывные предохранительные мембраны, применяемые в химической промышленности: (Систематизация и классификация). Москва: Науч.-исслед. Ин-т техн.-экон. исследований, 1968. 138 с.
2. Лясников А.В. Сопротивление материалов пластическому деформированию в приложениях к процессам обработки металлов давлением / А.В. Лясников, Н.П. Агеев, Д.П. Кузнецов и др. Санкт-Петербургская типография №1 РАН, 1995. 527 с.
3. Олехвер А.И., Ремшев Е.Ю. Оценка возможности применения метода акустической эмиссии для контроля мембран ответственного назначения // «Орбита молодежи» и перспективы развития Российской космонавтики: Материалы VI Всероссийской молодежной научно-практической конференции, Пермь: Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 2020. С. 115-119.
4. Ремшев Е.Ю., Олехвер А.И., Гусев А.С., Силаев М.Ю. Применение неразрушающего метода акустической эмиссии в производстве заготовок и изделий из титановых сплавов // Материалы и технологии нового поколения для перспективных изделий авиационной и космической техники: материалы V Всероссийской научно-технической конференции (г. Москва, 19 июля 2021 г.). ФГУП «ВИАМ». М.: ВИАМ, 2021. С. 258-273.
5. Олехвер А.И., Богданов А.В., Ремшев Е.Ю., Силаев М.Ю. Качественная оценка применения метода акустической эмиссии для контроля давления срабатывания мембран ответственного назначения // Noise Theory and Practice. 2021. Т. 7. № 3 (25). С. 16-28.
6. Remshev E.Yu., Olehver A.I., Voinash S.A., Sokolova V.A., Ivanov A.A., Malikov V.N., Vagizov T.N. Experience in the application of the non-destructive method of acoustic émission in the production of titanium billets and products of transport engineering // Journal of Physics: Conference Series. Krasnoyarsk Science and Technology City Hall of the Russian Union of Scientific and Engineering Associations. Krasnoyarsk, Russia, 2021. С. 42018.
Олехвер Алексей Иванович, канд. техн. наук, доцент, labmetcontrol@inbox.ru, Россия, Санкт-Петербург, Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова,
Тараканов Денис Сергеевич, магистр, labmetcontrol@inbox.ru, Россия, Санкт-Петербург, Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова,
Войнаш Сергей Александрович, ведущий инженер научно-исследовательской лаборатории, sergey_voi@mail.ru, Россия, Казань, Казанский федеральный университет,
Загидуллин Рамиль Равильевич, канд. техн. наук, доцент, r.r.zagidullin@mail.ru, Россия, Казань, Казанский федеральный университет,
Сабитов Линар Салихзанович, д-р техн. наук, доцент, l.sabitov@bk.ru, Россия, Казань, Казанский федеральный университет, Казанский государственный энергетический университет,
Соколова Виктория Александровна, канд. техн. наук, доцент, sokolova_vika@inbox.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна,
Копаев Егор Владимирович, канд. техн. наук, доцент, ekopaev@tvgsha. ru, Россия, Тверь, Тверская государственная сельскохозяйственная академия
PROSPECTS FOR APPLICATION OF THE ACOUSTIC EMISSION METHOD FOR CONTROL OF FLAT
BURST SAFETY DIAPHRAGM
A.I. Olehver, D.S. Tarakanov, S.A. Voinash, R.R. Zagidullin, L.S. Sabitov, V.A. Sokolova, E.V. Kopaev
A study of the process of deformation and destruction of membranes with accompanying and recording of acoustic emission (AE) signals was carried out. A technical solution has been proposed that makes it possible to evaluate the response of the sample material from the spectrum of AE signals without plastic deformation of the membranes, but further studies are required.
Key words: membrane, acoustic emission, mechanical testing, non-destructive testing.
Olehver Aleksey Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, labmetcontrol@inbox. ru, Russia, St. Petersburg, Baltic State Technical University "VOENMEH" named after D.F. Ustinova,
Tarakanov Denis Sergeevich, master, labmetcontrol@inbox.ru, Russia, St. Petersburg, Baltic State Technical University "VOENMEH" named after. D.F. Ustinova,
Voinash Sergey Alexandrovich, leading engineer of the research laboratory, sergey_voi@mail.ru, Russia, Kazan, Kazan Federal University,
Zagidullin Ramil Ravilevich, candidate of technical sciences, docent, r.r.zagidullin@mail.ru, Russia, Kazan, Kazan Federal University,
Sabitov Linar Salikhzanovich, doctor of technical sciences, docent, l.sabitov@bk.ru, Russia, Kazan, Kazan Federal University, Kazan State Power Engineering University,
Sokolova Victoria Aleksandrovna, candidate of technical sciences, docent, sokolova_vika@inbox.ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design,
Kopaev Egor Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, ekopaev@tvgsha.ru, Russia, Tver, Tver State Agricultural Academy
УДК 621.791.72
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-520-523
АНАЛИЗ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЛИСТОВ С УЧЕТОМ ИХ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ
В.Г. Новиков
В настоящее время высокие требования к качеству изделий, повышению скорости производственных процессов и снижению стоимости изготовления детали, приводят к необходимости в разработке новых технологических процессов и их внедрении в производство. При этом данная проблема актуально для широкого круга производств. Данное обстоятельство, в том числе касается и машиностроительного производства, где важной и актуальной задачей является совершенствование технологий сварки, которая широко применяется в производстве. Так одной из передовых технологий сварки является лазерная сварка, в настоящее время широко используемая на производстве. В данной статье рассматривается возможность ее применения, особенности, достоинства и недостатки, приводятся расчеты для определения некоторых технологических параметров процесса лазерной сварки, таких как колебание температуры поверхности, плотность мощности излучения лазера и некоторые другие. Приводится общая схема процесса лазерной сварки и дается ее характеристика. Также в работе проводится анализ этого процесса с разных точек зрения.
Ключевые слова: сварка, технологический расчет, металлический лист, особенности, конструкция, оборудование.
Промышленность предъявляет высокие требования к качеству изделий, скорости производственных процессов и стоимости изготовления детали, что в свою очередь приводит к необходимости в разработке новых технологических процессов и их внедрении в производство. Данное обстоятельство также касается и машиностроительного производства, где важной и актуальной задачей является совершенствование технологий сварки, которая широко применяется в производстве [1-9]. Так одной из передовых технологий сварки является лазерная сварка. Лазерная сварка металла - это относительно новая технология, которая стала использоваться не так давно. Суть такой металлообработки заключается в использовании высокомощного лазерного луча, который обеспечивает эффективную и точную сварку. Лазерные технологии на данный момент применяются во многих сферах производства, так как обладают массой преимуществ. В частности, она используется в радиоэлектронике, электронной технике, на металлообрабатывающих предприятиях.
