CC BY
9Применение резистивного электроконтактного метода для мониторинга состояния стальных конструкций
Заведующий учебной лабораторией А.В. Улыбин*,
ГОУ Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Во многих странах строится и эксплуатируется множество зданий и сооружений с несущими строительными конструкциями, выполненными из стали. В связи с большим сроком эксплуатации существующих конструкций, а также большой неопределенностью совокупности факторов, влияющих на их работу, необходимо проводить мониторинг их состояния. Такая необходимость обосновывается также требованиями ФЗ РФ №384 от 30.12.2009 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений», ГОСТ Р 53778-2010 «Правила обследования и мониторинга технического состояния» и других документов.
Одним из основных параметров, контроль которых производится при мониторинге технического состояния, являются эксплуатационные механические напряжения в элементах конструкций. Известные методы неразрушающего контроля напряженного состояния в ряде случаев не могут быть использованы достаточно полно, либо их использование затруднено, экономически нецелесообразно или неэффективно.
Для особо важных зданий и сооружений актуальным является разработка и применение альтернативных средств мониторинга, даже при удовлетворительной практике применения существующих средств контроля. Совокупное применение резистивного электроконтактного метода с другими традиционными методами контроля приведет к повышению безопасности строительных объектов и срока их эксплуатации.
Наибольший вклад в развитие методов неразрушающего контроля, применяемых на сегодняшний день для исследования напряженного состояния изделий и конструкций, внесли советские ученые Р.И. Янус, Л.Г. Меркулов, С.Т. Назаров, С.В. Румынцев, М.Н. Михеев, С.Я. Соколов и многие другие. Среди ученых-современников стоит отметить вклад В.В. Клюева, а также А.И. Потапова, В.Л. Венгриновича, А.А. Дубова, В.Е. Гордиенко, М.С. Бахарева, М.Г. Баширова и многих других.
Резистивный электроконтактный метод неразрушающего контроля разработан для оценки остаточных механических напряжений, сохраняющихся в металлических изделиях после их изготовления. Основополагающие исследования данного методы произведены в конце ХХ века С.Ю. Ивановым, Д.В. Васильковым и В.Э. Хитриком. Исследованием метода в последние несколько лет, а также разработкой аппаратуры для его применения занимается С.Д. Васильков.
Метод основан на измерении электрического сопротивления на участке поверхностного слоя металла при подаче к нему переменного тока [1].
Если рассмотреть участок плоского проводника с протекающим по нему током I от какого-либо внешнего устройства, то сопротивление R такого проводника при постоянном токе выражается формулой:
l 1
R = р- = р-, (1)
S b-h
где р- удельное электрическое сопротивление материала; l- длина участка, по которому проходит ток; S=b h - площадь поперечного сечения проводника.
Изменение электрического сопротивления согласно зависимости (1) может быть обусловлено тремя эффектами.
1. Изменением удельного сопротивления материала (р) при изменении его напряженного состояния. Данный эффект называется пьезорезистивным и используется в различных датчиках высокого давления. Одним из видов датчиков, работающих за счет пьезорезистивного эффекта, являются манганиновые датчики давления, коэффициент эластосопротивления которых достигает значений Ар/р=2.5^ 10 5 МПа1. Влияние данного эффекта в обычных металлических проводниках, в том числе стальных, настолько мало, что им обычно пренебрегают.
2. Изменением длины проводника (l) при его деформировании. Данный эффект используется в тензорезисторах. Датчики, основанные на данном эффекте, имеют коэффициент тензочувствительности, равный примерно 2. Это означает, что при напряжениях, соответствующих пределу упругости, например в стали марки Ст3, относительная деформация (ё) составит около 0,1%, а изменение сопротивления - около 0,2% от абсолютного значения.
Улыбин А.В. Применение резистивного электроконтактного метода для мониторинга состояния стальных конструкций 21
3. Известно, что при подаче к поверхности проводника переменного тока высокой частоты имеет место скин-эффект, при котором токи высокой частоты сосредотачиваются у той поверхности проводника, которая является ближайшей к источникам поля, вызывающим появление токов.
На основании решения системы уравнений Максвелла для проводящего полупространства глубина проникновения тока И в таком проводнике определяется выражением:
h =
1
(2)
где / - частота тока, Гц; /л - абсолютная магнитная проницаемость материала, Гн/м; у - удельная электропроводность материала, Ом-1.
Известно, что магнитная проницаемость материала является переменной величиной и, в том числе, зависит от напряженного состояния. На данном явлении основан ряд магнитных методов неразрушающего контроля напряжений, в частности в работах М.С.Бахарева [2] имеется зависимость:
М
Мп
1 - junÄ0a / П
(3)
где /ин - начальная относительная проницаемость материала;
Л0 - константа магнитострикции ферромагнетика; о - одноосные напряжения растяжения-сжатия (при растяжении имеют положительную величину).
Если подставить зависимость (3) в зависимость (2), а зависимость (2) - в (1), то получим зависимость следующего вида:
R = р-1
f-ßn
(1 -МпЛ0°/ ПР
(4)
С учетом магнитной постоянной (и0=4ж10~7Гн/м), константы магнитострикции стали (Л0=510-0МПа1), того, что удельная электрическая проводимость у=1/р (для стали р=140 Ом-мкм), приняв ин=200, пренебрегая незначительным изменением р и считая частоту тока постоянной, получим зависимость, представленную на рис. 1.
По результатам исследований М.Г. Баширова [3], после перехода стали в пластическую зону работы величина магнитной проницаемости уменьшается и, соответственно, зависимость (Я-о) должна измениться на обратно пропорциональную.
Г.-6
Рисунок 1. Теоретическая зависимость электрического сопротивления от напряжений растяжения-
сжатия
Улыбин А.В. Применение резистивного электроконтактного метода для мониторинга состояния стальных конструкций
При упругой работе конструкционных сталей в строительных конструкциях механические напряжения обычно не превышают значений ±300 МПа. Поэтому для данного диапазона значений можно пренебречь нелинейностью зависимости в зонах от 0 до от при растяжении и от 0 до от при сжатии с погрешностью до 5% от величины напряжений. Для рассматриваемого примера (рис. 2) в диапазоне до ±300 МПа, пр=1,710-4 МПа-1 при растяжении и пс=1,510-4 МПа-1 при сжатии.
Таким образом, выявленная зависимость изменения электрического сопротивления на переменном токе от механических напряжений, обусловленная изменением магнитной проницаемости стали, имеет чувствительность, в 7 раз превышающую пьезорезистивный эффект в манганине и в 17 раз чувствительность проводниковых тензорезисторов. Этот факт доказывает перспективность исследования данной зависимости (Я-о) для применения в ходе мониторинга механических напряжений в строительных конструкциях при их упругой работе.
По результатам экспериментальных исследований [4, 5] показано, что зависимость от растягивающих и сжимающих напряжений, создаваемых как чистым растяжением, так и поперечным изгибом моделей, линейная и прямо пропорциональная. Коэффициент корреляции по результатам статистической обработки данных имеет значение для всех экспериментов в диапазоне 0,950-0,999.
Экспериментально полученная зависимость электрического сопротивления от механических напряжений имеет вид:
П= Kt • At +
(5)
где ц=Я/Я0 - относительное изменение сопротивления, д.е.;
К - температурный коэффициент сопротивления (экспериментальное значение 1,3*10-3 оС-1); Л1 - изменение температуры стали, оС ;
Ко- экспериментальный коэффициент тензочувствительности, зависящий от марки стали и знака напряжений (0,1 ±0,02 мкОм/МПа);
Ло- абсолютное изменение одноосных механических напряжений (при растяжении - положительное), МПа; Я0 - величина сопротивления без дополнительных механических напряжений, мкОм.
Для определения изменения величины одноосных напряжений зависимость (5) преобразуется в следующий вид:
Да
(n- Kt -At) R Ка
(6)
Установлено, что на немагнитных материалах зависимость отсутствует (рис. 2). Это подтверждает, что основным фактором, влияющим на изменение электрического сопротивления, является именно магнитная проницаемость материала.
о
а.
»
с ш
5 I-
о а.
* СтЗ
■ 0ЭГ2С-1 о 0ЭГ2С-2
* 60С2 -*— Медь
-к— 08X18Н1 ОТ
-Линейный (09Г2С-1;
-Линейный (Медь)
Рисунок 2. Влияние на зависимость сопротивления от механических напряжений вида металла
Улыбин А.В. Применение резистивного электроконтактного метода для мониторинга состояния стальных конструкций 23
На основе результатов теоретико-экспериментальных исследований предложена технология мониторинга эксплуатационных механических напряжений в конструкциях с помощью резистивного электроконтактного метода.
Технология заключается в следующем:
1) выбор исследуемого участка конструкции, осуществляемый с помощью расчета компьютерной модели, применения других неразрушающих методов контроля напряжений, либо иным способом;
2) измерение абсолютного значения электрического сопротивления на выбранном участке конструкции до приложения/снятия нагрузок;
3) выполнение градуировки по отобранным образцам при их испытании на растяжение для уточнения коэффициента тензочувствительности;
4) повторное (очередное) измерение значения сопротивления в интересующий момент времени после изменения величины эксплуатационной нагрузки или по прошествии определенного времени;
5) определение приращения напряжений по выявленной зависимости (6) с учетом температурного коэффициента и уточненного коэффициента тензочувствительности.
Литература
1. Васильков С.Д.Определение остаточных напряжений в поверхностном слое деталей из никелевых сплавов после механической обработки. / Васильков С.Д., Анастасиади Г.П., Юрова Г.П. // Металлообработка. - 2008. - №5 (47). - С. 4-9.
2. Бахарев М.С. Разработка методов и средств измерения механических напряжений на основе необратимых и квазиобратимых магнитоупругих явлений: Автореферат. ... докт. тех. наук. - Тюмень, 2004. -321 с.
3. Баширов М.Г. Использование взаимосвязи электрофизических и механических свойств металлов в напряженно-деформированном состоянии в задачах прогнозирования ресурса оборудования нефтепереработки // Нефтегазовое дело. - 2002. - №1.
4. Улыбин А.В., Васильков С.Д. Использование резистивного электроконтактного метода для контроля напряженно-деформированного состояния элементов стальных конструкций // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2009. - №6. - С. 155-160.
5. Улыбин А.В. Кукушкина Г.А. Особенности применения резистивного электроконтактного метода для контроля напряженно-деформированного состояния стальных конструкций // Инженерно-строительный журнал. -2010. - №3.- С. 32-34.
* Алексей Владимирович Улыбин, Санкт-Петербург Тел. раб.: +7(812)535-57-82; эл. почта: ulybin@mail.ru
Улыбин А.В. Применение резистивного электроконтактного метода для мониторинга состояния стальных конструкций
