CC BY
3
A study was carried out of the influence of various components and design elements of launch vehicles regarding their influence on the longitudinal dynamic stability at the stage of launching a spacecraft. The components that make a significant contribution to the margin of longitudinal dynamic stability are noted. The reasons why "critical" structural elements make a decisive contribution to vibration stability are substantiated. The mathematical model is built in the MatLab software environment and allows you to vary the mass of each element under study to determine the degree of influence of this element on the longitudinal dynamic stability of a space rocket with a sequential connection of stages.
Key words: longitudinal oscillations, means of ensuring longitudinal dynamic stability, an upgraded launch vehicle.
Stepyko Mikhail Alexandrovich, head of the faculty, Russia, Saint Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Sultanov Alexey Edgarovich, candidate of technical sciences, deputy head, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Petukhov Anton Ivanovich, adjunct, erikproz@mail. ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky
УДК 620.179.11:620.179.15:620.179.16:620.179.18 DOI: 10.24412/2071-6168-2024-3-285-286
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ
ГОРЯЧЕКАТАНОГО МЕТАЛЛОПРОКАТА
А.В. Маркевич, М.А. Полякова
В данной статье акцентируется внимание на оборудовании для проведения неразрушающего контроля и выявления поверхностных и внутренних дефектов горячекатаного металлопроката. Описаны основные размерные характеристики, ориентация, расположение поверхностных дефектов, расположение в поперечном сечении объекта контроля внутренних дефектов. Приведены оценки применимости методов неразрушающего контроля. Оценка дана для каждого рассмотренного в работе поверхностного и внутреннего дефекта.
Ключевые слова: неразрушающий контроль, горячекатаный металлопрокат, ультразвуковой контроль, оптический контроль, несплошность.
Совершенствование уровня надежности опасных производственных объектов, повышение ресурса технологического оборудования и других объектов возможно при условии обеспечения высокого качества металлопродукции. Немаловажным остается повышение конкурентоспособности металлургического предприятия, которая определяется в первую очередь качеством товара, особенно в условиях санкций и импортозамещения. Данные аспекты требуют внедрения, применения и совершенствования технологий и методов контроля качества [1, 2].
Основная доля дефектов возникает на стадии производства металлопродукции и такие несоответствия относятся к производственно-технологическим. Следовательно, основной задачей здесь выступает контроль качества металлопродукции на стадии производства перед отгрузкой потребителю. Также на современном этапе развития науки и техники становится важным проведение контроля не только в качестве выходного, для аттестации готовой металлопродукции, но и применение методов и средств контроля на каждом этапе технологического процесса. Применение контроля в сквозном технологическом процессе позволяет избежать ненужных экономических затрат [3].
В настоящее время в металлургической промышленности широко используют неразрушающие методы контроля - магнитные, акустические, оптические, тепловые, каждый из этих методов имеет свою специфику. Следует учитывать, что нет универсального метода, способного проконтролировать любой объект из любого материала [1]. Первоначальным появлением различных методов следует относить к контролю опасных производственных объектов и различного оборудования. Далее с развитием металлургического производства возник интерес к проведению контроля металлопродукции и с течением времени требования нормативных документов, на основании которых проводится контроль, стали ужесточаться.
Несмотря на все затруднения неразрушающие методы контроля внедряются повсеместно, обеспечивают высокую достоверность и позволяют обеспечить современные требования к качеству изготавливаемой продукции.
Целью данной работы является изучение возможности применения неразрушающих методов контроля для выявления внутренних и поверхностных дефектов горячекатаного металлопроката.
Оборудование и материалы. В данной работе были рассмотрены ультразвуковые методы (УК), магнитные методы (МК), оптические методы контроля (ОК), радиационный контроль (РК) и вихретоковый контроль (ВК), представлены в табл. 1 - 7.
Контроль внутренних дефектов горячекатаного металлопроката в толщинах от 8 до 50 мм осуществляли на автоматизированной установке ультразвукового контроля. Установка «мокрого» типа, контактная жидкость - вода, «щелевой» способ, пьезоэлектрические преобразователи трехканальные, прямые раздельно-совмещенные, частота 5 МГц.
Для горячекатаного металлопроката в толщинах от 2 до 8 мм применялась автоматизированная установка ультразвукового контроля с набором бесконтактных электромагнитно-акустических преобразователей, по восемь каналов в каждом преобразователе.
Механизированный ультразвуковой контроль в толщинах более 50 мм проводился мобильной установкой с шестнадцатью раздельно-совмещенных прямых преобразователей в акустическом блоке с частотой 5 МГц.
285
Для определения достоверности проводимого контроля выполняли калибровку автоматизированной установки с помощью специальных стандартных образцов предприятия, с набором искусственных дефектов.
Контроль поверхностных дефектов осуществляли визуально в толщинах горячекатаного металлопроката более 6 мм и с использованием автоматизированной оптической системой контроля качества поверхности при толщине металлопроката менее 6 мм.
Для металлографического исследования в случае отбраковки с единицы продукции отбирались пробы дефектов, где определялись вид и характер дефекта, его ориентация, форма, состав, топография относительно размеров объекта контроля.
Опорными документами при проведении неразрушающего контроля служили: ГОСТ Р 56542-2019 «Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов», ГОСТ 22727-88 «Прокат листовой. Методы ультразвукового контроля», ГОСТ Р 70652-2023 «Контроль неразрушающий. Методы оптические. Системы технического зрения. Общие требования».
Основная часть. Выбор неразрушающего контроля сильно зависит от того какие дефекты необходимо идентифицировать, какие есть ограничения по достоверности, затраты по реализации. Также важно знать: размерные характеристики дефектов, степень критичности, состав, форму, ориентацию и расположение на поверхности или в поперечном сечении объекта контроля [4, 5].
Для анализа дефектности горячекатаного металлопроката ввели понятие единицы продукции. Использовали в качестве единицы продукции один элемент - горячекатаный раскат (обычно считается полуфабрикатом, в зависимости от толщины в дальнейшем по технологии происходит порезка на листы по заказанным размерам), горячекатаный лист, горячекатаный рулон (также обычно является полуфабрикатом и в дальнейшем происходит порезка на листы). Все четыре объекта контроля имеют одинаковую прямоугольную форму в поперечном сечении, отличия составляют линейные размеры: толщина, ширина, длина.
Контроль единиц продукции проводили в размерах:
- горячекатаный раскат - толщины от 8 до 160 мм, ширина от 1600 до 4900 мм, длина от 6000 до 52000 мм;
- горячекатаный лист после порезки раската - толщины от 8 до 50 мм, ширина от 1500 до 4800 мм, длина от 6000 до 24000 мм;
- горячекатаный лист после порезки рулона - толщины от 2 до 25 мм, ширина от 800 до 2350 мм, длина от 3000 до 12000 мм;
- горячекатаный рулон - толщины от 1,5 до 6 мм.
Все дефекты горячекатаного металлопроката следует разделить на две большие группы - поверхностные и внутренние.
В табл. 1 - 7 приведена интегральная оценка по пятибалльной шкале для применимости различных методов неразрушающего контроля, где «5» - отлично выявляет и описывает дефект, «0» - метод абсолютно не применим. Здесь учитывается и экономическая целесообразность реализации данного метода, влияние окружающей среды, личный опыт и опыт других авторов из различных источников [1].
Основные поверхностные дефекты плоского горячекатаного проката - плены, сквозные разрывы, механические повреждения, вкатанные инородные частицы, раскатанные трещины, вкатанная окалина [3].
Механические повреждения является довольно крупной подгруппой дефектов, объединяет в себя такие дефекты, как царапины, риски, продиры, складки, вмятины, надавы, смятые кромки и т.д.
Схема распределения дефекта механическое повреждение по поверхности приведена на рис. 1.
I -
Рис. 1. Схема распределения дефекта механическое повреждение по поверхности
По типичным размерным характеристикам минимальный размер в продольном и поперечном направлении составляет 50 мм. Зачастую по усредненному размеру встречается в поперечном направлении около 200 мм и в продольном 1000 мм. Максимальный размер дефекта механическое повреждение в поперечном направлении обычно до 1000 мм и в продольном 2500 - 3000 мм.
Фотографии дефектов механическое повреждение приведены на рис. 2.
Рис. 2. Фотографии дефекта механическое повреждение
Таблица 1
Применимость неразрушающих методов контроля для выявления поверхностного дефекта __механическое повреждение__
УК МК ОК РК ВК
1 2 4 0 3
Сквозные разрывы или дыры могут возникнуть по причине других дефектов, дефект часто вытянут в направлении прокатки.
Схема распределения дефекта сквозные разрывы по поверхности приведена на рис. 3.
О
9
Рис 3. Схема распределения дефекта сквозные разрывы по поверхности
Размерные характеристики для дефекта сквозные разрывы - минимальные размеры в поперечном и продольном направлении 5 мм, типичным размером для данного дефекта являются размеры в поперечном направлении 50 мм в продольном 20 мм, максимальными же размерами для данного дефекта являются 200 мм в продольном и поперечном направлении.
Фотографии дефекта сквозные разрывы приведены на рис. 4.
Рис. 4. Фотографии дефекта сквозные разрывы
Таблица 2
Применимость неразрушающих методов контроля для выявления поверхностного дефекта сквозной разрыв
УК МК ОК РК ВК
2 2 5 0 4
Плена - дефект поверхности, ориентированный по направлению прокатки, языкообразной формы. Причины образования могут быть разные, в основном образуется по неметаллическим включениям, остаткам трещины непре-рывнолитой заготовки.
Схема распределения дефекта плена по поверхности приведена на рис. 5.
Рис. 5. Схема распределения дефекта плена по поверхности
Размерные характеристики для дефекта плена - минимальные размеры в поперечном направлении 3 мм, в продольном 15 мм, часто встречающимся размером для данного дефекта являются размеры в поперечном направлении 5 мм в продольном 100 - 300 мм, максимальными же размерами для данного дефекта являются в поперечном направлении 30 мм, в продольном 3000 - 5000 мм.
Фотографии дефекта плена приведены на рис. 6.
Рис. 6. Фотографии дефекта плена
Таблица 3
Применимость неразрушающих методов контроля для выявления поверхностного дефекта плена_
УК МК ОК РК ВК
4 2 5 0 4
Вкатанная окалина представляет собой остатки окалины, вкатанные в поверхность, могут образовываться раковины, неравномерно распределена по металлопрокату в виде темных областей, точек, штрихов. Схема распределения дефекта вкатанная окалина по поверхности приведена на рис. 7.
I;]
Рис. 7. Схема распределения дефекта вкатанная окалина по поверхности
Размерные характеристики дефекта вкатанная окалина - минимальный размер дефекта в продольном и поперечном направлении составляет 20 - 30 мм. Типичный размер свойственный данному дефекту в поперечном направлении 200 мм в продольном 2000 мм. Максимальный же размер дефекта вкатанная окалина может распространяться на всю ширину или длину единицы металлопродукции.
Фотографии дефекта вкатанная окалина приведены на рис. 8.
Рис. 8. Фотографии дефекта вкатанная окалина
Таблица 4
Применимость неразрушающих методов контроля для выявления поверхностного дефекта
вкатанная окалина
УК МК ОК РК ВК
1 2 4 0 4
Раскатанная трещина дефект, ориентированный параллельно направлению прокатки, представляет собой темную линейную полосу, образовавшуюся от разрыва поверхности металла на предыдущих переделах.
Схема распределения дефекта раскатанная трещина по поверхности приведена рис. 9.
Рис. 9. Схема распределения дефекта раскатанная трещина по поверхности
Минимальные размеры дефекта поверхности раскатанная трещина в поперечном направлении 5 мм в продольном 200 мм, максимальные размеры в поперечном направлении 10 мм в продольном направлении 10000 мм, типичные и часто встречающиеся размеры дефекта раскатанная трещина в поперечном направлении 7 мм в продольном 1000 мм.
Фотографии дефекта раскатанная трещина приведены на рис. 10.
Рис. 10. Фотографии дефекта раскатанная трещина
Таблица 5
Применимость неразрушающих методов контроля для выявления поверхностного дефекта раскатанная ___трещина___
УК МК ОК РК ВК
4 3 4 0 4
Вкатанная инородная частица поверхностный дефект, образованный в процессе производства горячекатаного металлопроката при вдавливании в поверхность металлических или неметаллических частиц.
Схема распределения дефекта вкатанная инородная частица по поверхности приведена на рис. 11.
*
I
Рис. 11. Схема распределения дефекта вкатанная инородная частица по поверхности
Минимальные размерные характеристики поверхностного дефекта вкатанная инородная частица в продольном и поперечном направлении обычно составляет 5 мм, максимальный же размер в продольном и поперечном направлении 100 мм. Наиболее часто встречаемый типичный размер поверхностного дефекта горячекатаного металлопроката в продольном и поперечном направлении 30 мм.
Фотографии поверхностного дефекта вкатанная инородная частица приведены на рис. 12.
Рис. 12. Фотографии поверхностного дефекта вкатанная инородная частица
289
Таблица 6
Применимость неразрушающих методов контроля для выявления поверхностного дефекта вкатанная __ инородная частица __
УК МК ОК РК ВК
2 2 4 0 3
Внутренние дефекты горячекатаного металлопроката при контроле методами неразрушающего контроля имеют одну классификацию - несоответствие класса сплошности [6]. При выявлении несоответствия класса сплошности в дефектном месте отбирается проба, которая подвергается металлографическому исследованию для определения вида и природы дефекта.
Схема расположения дефекта несоответствие класса сплошности приведена на рис. 13, фотографии дефекта несоответствие класса сплошности приведены на рис. 14.
Рис. 13. Схема расположения дефекта несоответствие класса сплошности
Рис 14. Фотографии внутренних дефектов горячекатаного металлопроката, несоответствие класса
сплошности
Условное разделение внутренних дефектов по глубине залегания в основном подразделяют на %, '/2, % от толщины металла одной единицы продукции. По протяженности дефекты подразделяются на единичные и сплошные. Также проводят оценку по площади одной единицы продукции, нахождение дефекта в основном металле (в теле) и кромочные дефекты, размер кромок зависит от требований нормативной документации.
Оценке подвергаются все несплошности одной единицы продукции, определяются условные размеры всех дефектных мест, максимально допустимая условная протяженность, рассчитываются условные площади несплошно-стей. В зависимости от требований нормативной документации площади классифицируются на: минимально учитываемые; максимально допустимые; условные площади максимально допустимой зоны несплошностей; относительная условная площадь (%), определяется долей площади, занимаемой несплошностями всех видов, на 1 м2 единицы продукции.
Сплошность листового металлопроката в зависимости от величин показателей сплошности оценивается по классам [6].
Таблица 7
Применимость неразрушающих методов контроля для выявления внутренних дефектов __(несоответствие класса сплошности)__
УК МК ОК РК ВК
5 1 0 3 0
Обсуждение результатов. Для контроля поверхностных дефектов горячекатаного металлопроката в зависимости от вида готовой единицы продукции применяют в основном визуальный осмотр, как самый экономически выгодный способ контроля качества.
В последнее время хорошо себя зарекомендовали автоматизированные оптические системы инспекции качества поверхности металлопроката. Состоят из оптических сенсоров, количество которых зависит от количества инспектируемых поверхностей и сервера с программным обеспечением. Данные системы позволяют не только обнаруживать дефектные участки, но и распознавать (классифицировать) дефекты. Незаменимы автоматизированные оптические системы при больших скоростях производства рулонного горячекатаного металлопроката. На выходе единицы продукции имеется полная информация о количестве, видах, топографии дефектов [7 - 9].
Некоторые системы комплектуются дополнительным программным обеспечением для аттестации продукции, где можно задавать требования к качеству металлопроката и в случае несоответствия, проводить переназначение на другие заказы с менее жесткими требованиями.
Основным методом неразрушающего контроля внутренних дефектов горячекатаного металлопроката является ультразвуковой. Внутренняя неоднородность металла вызывает отражение или ослабление ультразвуковых волн, достаточное для регистрации дефекта при контроле с заданной чувствительностью. Нормативно-техническим документом (НТД) в России по ультразвуковому контролю листового проката из углеродистых и легированных сталей, в том числе двухслойной, толщиной от 0,5 до 200 мм является ГОСТ 22727-88 [6].
При больших габаритах объекта контроля и для обеспечения 100 % сплошного сканирования большое преимущество имеют автоматизированные многоканальные установки. Интерфейс автоматизированных установок ультразвукового контроля позволяют точно оценить зоны несплошностей и отдельно взятых протяженных и непротяженных дефектов, а программное обеспечение по специальному алгоритму оценивает металлопрокат по требуемому классу сплошности.
Отчетом по проведенному контролю является дефектограмма - это масштабное изображение одной единицы продукции, по которому можно определить местоположение и условные размеры обнаруженных несплошно-стей.
Выводы:
- На сегодняшний день тенденция развития металлургической отрасли и управление качеством металлопродукции ставит своей задачей проведение сквозного контроля металлопродукции на каждой стадии производства. Наилучшим образом с поставленной задачей справляются неразрушающие методы контроля;
- Применение неразрушающих методов контроля не только для проверки надежности опасных производственных объектов, но и для контроля металлопродукции, основного материала для изготовления опасных производственных объектов, в разы увеличивает надежность, исключает дальнейшее применение изделий несоответствующего качества;
- Для контроля поверхностных дефектов горячекатаного металлопроката допустимым и экономически выгодным считается визуальный осмотр, но учитывая высокие скорости при производстве, большие размеры объекта контроля и человеческий фактор, наилучшим способом станет применение автоматизированных оптических систем инспекции качества металлопродукции;
- Для контроля внутренних дефектов горячекатаного металлопроката наилучшим методом неразрушаю-щего контроля является ультразвуковой;
- Применение многоканальных автоматизированных установок ультразвукового контроля обеспечивает высокую производительность, наилучшую достоверность при оценке качества и обеспечение 100 % сплошного сканирования объекта контроля.
Список литературы
1. Ермолов И.Н., Ланге Ю.В. Неразрушающий контроль: справочник. В 7 т. / под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 3: Ультразвуковой контроль. М.: Машиностроение, 2004. 864 с.
2. Анализ эффективности существующей системы оценки качества материалов, изделий и конструкций на опасных производственных объектах / М. Ю. Наркевич, В. Д. Корниенко, О. С. Логунова [и др.] // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2021. Т. 19. № 2. С. 103-111.
3. Правосудович В.В., Сокуренко В.П., Данченко В.Н. и др. Дефекты стальных слитков и проката: справочное издание. М.: Интермет Инжиниринг, 2006. 384 с.
4. Маркевич А.В., Щенникова В.А. Методы и нормы ультразвукового контроля горячекатаного проката с целью выявления внутренних дефектов // Технологии металлургии, машиностроения и материалообработки. 2022. № 21.С. 54-64.
5. Маркевич А.В., Щенникова В.А., Лошкарев М.А., Чернов В.П. Ультразвуковой контроль макроструктуры горячекатаного проката // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. 2023. Т. 14. № 1. С. 33-35.
6. ГОСТ 22727-88. Прокат листовой. Методы ультразвукового контроля. М., 1988.
7. Логунова О.С., Маркевич А.В., Гарбар Е.А. Системы оптического контроля качества поверхности стальной полосы // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. Вып. 2. С. 299-305.
8. Рахметова Л.Х., Маркевич А.В. Техническая реализация применения систем технического зрения для контроля поверхностных дефектов выпускаемой продукции отожженного и оцинкованного стального проката // Технологии металлургии, машиностроения и материалообработки. 2022. № 21. С. 64-73.
9. Логунова О.С., Андреев С.М., Гарбар Е.А., Маркевич А.В., Николаев А.А. Автоматизация научных исследований нарушения сплошности плоской поверхности: конструкционное решение программно-аппаратного комплекса // Электротехнические системы и комплексы. 2020. № 1 (46). С. 54-59.
Маркевич Артем Валерьевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Магнитогорск, Магнитогорский металлургический комбинат,
Полякова Марина Андреевна, д-р техн. наук, профессор, m. polyakova@magtu. ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова
APPLICATION OF NON-DESTRUCTIVE TESTING METHODS TO DETECT DEFECTS IN HOT-ROLLED METAL
A.V. Markevich, M.A. Polyakova
This article focuses on equipment for non-destructive testing and detection of surface and internal defects in hot-rolled metal products. The main dimensional characteristics, orientation, location of surface defects, location in the cross section of the object for monitoring internal defects are described. Assessments of the applicability of non-destructive testing methods are given. The assessment is given for each surface and internal defect considered in the work.
Key words: non-destructive testing, hot-rolled metal, ultrasonic testing, optical testing, discontinuity.
Markevich Artem Valerievich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk Iron and Steel Works,
Polyakova Marina Andreevna, doctor of technical sciences, professor, m.polyakova@magtu. ru, Russia, Magnitogorsk, Nosov Magnitogorsk State Technical University
