Возможность идентификации механических свойств металла оборудования химических производств при экспкртизе промышленной безопасности на базе метода мультифрактальной параметризации Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

2. Патент №2187536 РФ.

3. Сарданашвили А.Г., Львова А.И. Примеры и задачи по технологии переработки нефти и газа. М.:Химия, 1973. 16 с.

© Г. Г. Гарифзянова - канд. хим. наук, докторант ЦНИТ КГТУ.

УДК 620.17:620.18

А. Д. Анваров, А. С. Маминов, В. А. Булкин

Г. В. Встовский

ВОЗМОЖНОСТЬ ИДЕНТИФИКАЦИИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

МЕТАЛЛА ОБОРУДОВАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ ПРИ ЭКСПЕРТИЗЕ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ НА БАЗЕ МЕТОДА МУЛЬТИФРАКТАЛЬНОЙ ПАРАМЕТРИЗАЦИИ

Показана возможность определения механических свойств металла оборудования опасных производств без разрушения элемента оборудования по мультифрактальным параметрам изображения металлографической структуры на примере сталей перлитного класса.

В настоящее время большая часть технических устройств (ТУ) химических производств отработала нормативный ресурс. Дальнейшая эксплуатация такого оборудования возможна только с разрешения органов Ростехнадзора на основании заключений экспертизы промышленной безопасности, выполненной экспертной организацией, имеющей лицензию на проведение соответствующих работ.

В качестве базовой концепции оценки технического состояния ТУ опасных производств используется подход, основанный на принципе «безопасной эксплуатации по техническому состоянию», согласно которому оценка технического состояния ТУ осуществляется по параметрам технического состояния (ПТС). В качестве определяющих ПТС принимают параметры, изменение которых может привести объект в неработоспособное или предельное состояние, т. е. к его разрушению или созданию аварийной ситуации.

Одним из важных ПТС является состояние металла ТУ - его механические характеристики, которые под действием технологических (изготовление, транспортировка, монтаж) и эксплуатационных (условия эксплуатации - температура, давление, среда, цикличность) факторов могли измениться относительно своего исходного состояния.

Нормативные документы предписывают при экспертизе промышленной безопасности в зависимости от условий эксплуатации выполнение механических испытаний и металлографических исследований структуры металла ТУ.

Результаты испытаний используются при выполнении поверочных прочностных расчетов и далее при расчетах остаточного ресурса.

Однако на практике выполнение указанных испытаний невозможно из-за временных факторов (остановки на ремонт кратковременны) и нецелесообразны, так как вырезки образцов и последующий ремонт с применением сварки наносят вред (возникают дополнительные напряжения) металлу, а следовательно, и обследуемому оборудованию.

Использование же нормативных расчетных значений механических характеристик при выполнении прочностных расчетов ТУ, отработавших 20-30 и более лет в жестких условиях, некорректно. Поэтому поиск информативного способа определения механических свойств металла без разрушения элемента ТУ и учетом предъявляемых требований по удобству достоверности и быстроте - весьма актуальная задача.

Для реализации данной проблемы видится перспективным установление взаимосвязи механических свойств металла с результатами мультифрактальной параметризации цифровых изображений его микроструктуры. В результате анализа литературных данных выявлен ряд работ, авторам которых удалось обнаружить некоторую взаимосвязь муль-тифрактальных характеристик с механическими свойствами, однако полученные результаты были относительны и, кроме того, вследствие отсутствия четкого алгоритма подготовки изображений недоступны для воспроизведения другими исследователями.

При использовании современных средств автоматизированной подготовки металлографических шлифов и условии подготовки шлифов непосредственно на поверхности контролируемого ТУ метод по праву будет являться неразрушающим и, что немаловажно в условиях экономики, где каждый день простоя оборудования при диагностике сказывается значительными убытками, скоростным (экспресс-метод).

Мультифрактальная параметризация структур основана на генерации каким-либо способом меры. Для этого оцифрованное изображение структуры разбивается на ячейки определённого размера. Разработанный алгоритм расчета мультифрактальных характеристик проводится в четыре этапа: 1) предварительная подготовка изображений изучаемых структур; 2) проведение автоматической генерации шкал (масштабов) для построения фрактальных регрессионных графиков; 3) формирование фрактальной меры на изображении; 4) расчет мультифрактальных характеристик и проверка их на корректность. Этот алгоритм успешно реализован в программе MFRDrom, разработанной д-ром физ.-мат. наук В.Г. Встов-ским [1,2].

Для проверки чувствительности метода к механическим свойствам был проведен эксперимент. В качестве образцов использовали металлический темплет из стали 09Г2С, из которого были подготовлены комплекты стандартных образцов для испытания на растяжение и ударную вязкость. Все образцы изготовлены из основного металла.

Для провоцирования изменения структуры и механических свойств образцов применяли пять вариантов термической обработки (ТО). Их режимы приведены в таблице 1.

На поверхности ударных образцов изготовили металлографические микрошлифы, которые были сфотографированы цифровым фотоаппаратом Pentax Optio 550 при увеличении х250, х1000, х2000 с помощью микроскопа МПМ-1К.

Все варианты образцов были подвергнуты механическим испытаниям. Результаты приведены в протоколах механических испытаний в табл. 1. Внешний вид полученных структур всех вариантов и их описание представлены на рис. 1.

Механические свойства

№ варианта ТО Режим ТО НВ ОБ, МПа О0,2, МПа 5, % V, % КСУ, Дж/см

Вариант 1 Полный отжиг 135,0 473 335 28,4 75,7 184

Вариант 2 Закалка в масло 191,0 832 741 8,3 43,7 106

Вариант 3 Закалка в щелочи (изотермическая закалка) 166,0 674 556 14,4 55,4 202,5

Вариант 4 Закалка в воду 347,3 1213 1100 4,1 32,9 35,0

Вариант 5 Нормализация 146,0 534 346 23,4 57,5 136,6

Вариант 1 - структура феррит + перлит

Вариант 2 - структура троостит мелкопластинчатый

Вариант 3 - структура игольчатый троостит (нижний бейнит)

Вариант 4 - структура мелкоигольчатый мартенсит

Вариант 5 - структура сорбит мелко - пластинчатый (перлит среднедисперсный) + феррит

Рис. 1 - Вид микроструктуры стали 09Г2С (х250) при различных вариантах термообработки

Из фотографий предварительно подготовили изображения размером 300x300 и 600x600 пикселей. Предварительная подготовка изображений к мультифрактальному анализу осуществлялась в соответствии с методикой, описанной в статьях [3,4].

Все изображения были проанализированы программой мультифрактального анализа МРКОгош. При анализе генерацию меры проводили по белым пикселям, q=200. Корреляцию получили на псевдоспектрах при 100% площади покрытия изображения.

В результате анализа была найдена взаимосвязь мультифрактальных характеристик (однородность и упорядоченность) со всеми анализируемыми механическими свойствами (ударная вязкость КСУ, твердость НВ, предел прочности оВ, условный предел текучести

оо,2 , относительное удлинение 5 и относительное сужение у).

Взаимосвязь со всеми рассмотренными механическими характеристиками для всех видов полученных структур была найдена от параметра однородности (Б200) при увеличении х2000. Пример взаимосвязи с ударной вязкостью приведен на рис. 2.

Однако для меньшего увеличения (х250) отсутствует корреляция для варианта №4 (закалка в масло). Это объясняется тем, что полученная структура - мелко - игольчатый мартенсит - является структурой бездиффузионного распада в отличие от остальных структур полного диффузионного (варианты 1, 2, 5) и полудиффузионного (вариант 3) распада. Пример взаимосвязи параметра однородности с пределом прочности при увеличении х250 представлен на рис. 3.

200

150

>

о

100

50

♦ 1

□

♦ 5

ф Иммитационный вариант

(термообработка)

□ Шаровой резервуар

(09 Г2 С)

2

2,2

2,3

2,4

Б200

2,5

♦ 4

2,6

1300 1150 1000 С 850

т

е 700

550

400

♦ 4

♦ Иммитационный образец (термообрабо тка) П Шаровой резервуар (09Г2С) Д Водогрейный котел (1 2 Х1МФ) -- X Листвой прокат ТМО-образцы (сталь 20) Г-2—

♦ 3

5 х 1 дд

2,1

2,6 Б200 3,1

3,6

0

Рис. 2 - Взаимосвязь параметра однород- Рис. 3 - Взаимосвязь параметра одно-ности с ударной вязкостью при увеличе- родности с пределом прочности при уве-нии х2000 личении х250

Для проверки полученных закономерностей были исследованы структуры реальных технических устройств из сталей перлитного класса (шаровой резервуар, водогрейный котел, термомеханические образцы). Использовались результаты как собственных исследовательских работ (шаровой резервуар), так и исследований механических свойств и структуры металла работ других авторов, в частности работы В.В. Герасимова «Изменение структурных и механических характеристик жаропрочной стали при длительной эксплуатации в системах теплоэнергетических установок» (водогрейный котел) и С.В.Горбачова

[5] (термомеханические образцы). Примеры результатов анализа представлены на рис. 2,

3. Для всех вариантов были найдены уравнения регрессий (табл.2.).

Таблица 2 - Уравнения регрессий механических характеристик сталей перлитного класса от мультифрактальных параметров изображений металлографической структуры

Крат- Механиче-

ность Мультифрак- ская харак-

увеличе- тальный пара- теристика Уравнение регрессии

ния изо- метр

бражения

КСУ ^ = 100,74 ■ х2 - 669,09 ■ х + 1216,8

НВ у = 62,985 ■ х - 21,313

Однородность Ов у = -1297,5 ■ х3 + 11321 ■ х2 - 32266 ■ х + 30656

X 8 (2,4; 3,4) О0,2 5 у = -1699,3 ■ х3 + 14941 ■ х2 - 42994 ■ х + 40991 у = 62,731 ■ х3 - 537,82 ■ х2 + 1502 ■ х -1346

х250 V у = -108,99 ■ х3 + 965,73 ■ х2 - 2862,3 ■ х + 2892,6

КСУ НВ у = 1191,5 ■ х2 + 1069,8 ■ х + 297,32 у = -274,46 ■ х + 96,387

Упорядоченность Ов у = 107198 ■ х3 + 77225 ■ х2 + 15654 ■ х + 1438,5

X 8 (-0,34; -0,13) О0,2 5 V у = 146579 ■ х3 + 108705 ■ х2 + 23379 ■ х + 1889,2 у = -6685,7 ■ х3 - 4632,2 ■ х2 - 905,64 ■ х - 27,002 у = 5585 ■ х3 + 4254,4 ■ х2 + 1160,4 ■ х + 165,96

КСУ у = -445,09 ■ х +1138,5

НВ у = 1748,9 ■ х3 - 9813,7 ■ х2 + 17915 ■ х -10400

Однородность Ов у = -43340 ■ х3 + 304581 ■ х2 - 709975 ■ х + 549736

X 8 (2,1; 2,5) О0,2 5 у = -58516 ■ х3 + 409558 ■ х2 - 951626 ■ х + 734733 у = 1268 ■ х3 - 8656,2 ■ х2 + 19583 ■ х -14663

х1000 V у = 199,26 ■ х2-1049,9 ■ х + 1411,4

КСУ НВ у = 887,62-х+245,7 у = -619,77 ■ х + 86,584

Упорядоченность Ов у = -3969 ■ х + 161,54

X 8 (-0,16; -0,07) О0,2 5 V у = -33676 ■ х3 + 47678 ■ х2 + 7720,8 ■ х + 632,17 у = -87806 ■ х3 - 30726 ■ х2 - 3184,8 ■ х - 74,503 у = 355,89 ■ х + 99,87

КСУ у = -4530,5 ■ х3 + 34218 ■ х2 - 86264 ■ х + 72631

НВ у = 583,84 ■ х -1158,1

Однородность Ов у = -3422,2 ■ х2 + 18396 ■ х - 23455

X 8 (2,22; 2,57) О0,2 5 у = -4520,7 ■ х2 + 23742 ■ х - 30056 у = -772,13 ■ х3 + 5832,1 ■ х2 - 14683 ■ х + 12327

х2000 V у = -1931,3 ■ х3 + 14324 ■ х2 - 35423 ■ х + 29241

КСУ НВ у = 1976,2 ■ х + 325,97 у = -312386 ■ х3 - 50646 ■ х2 - 2383,7 ■ х + 109,45

Упорядоченность Ов у = 100538^ х2 -11394 х + 757,89

X 8 (-0,15; -0,07) О0,2 5 V у = 5000000 ■ х3 + 2000000 ■ х2 + 170133 ■ х + 5979,1 у = -134733 ■ х3 - 42089 ■ х2 - 3875,6 ■ х - 83,268 у = 564,84 ■ х +113,3

Итак, в результате исследования наглядно показана возможность неразрушающего определения механических свойств металла по мультифрактальным параметрам изображения его микроструктуры. Показаны предпочтительные схемы анализа и установлены основные уравнения регрессии. Метод позволяет получать фактические значения механических свойств непосредственно с действующего оборудования при техническом диагностировании и использовать эти данные при прочностных расчетах и далее при оценке ресурса оборудования и параметров долговечности.

Литература

1. Встовский Г.В. Введение в мультифрактальную параметризацию структур материалов /Г.В. Встов-ский, А.Г. Колмаков, И.Ж. Бунин./ Ижевск: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика». 2001. 116 с.

2. Встовский Г.В. Элементы информационной физики. М.: МГИУ, 2002. 260с.

3. Анваров А.Д., Маминов А. С. Методика подготовки изображений к мультифрактальному анализу //Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий: 18-я Всерос. межвуз. науч.-технич. конф. Казань, 2006. С.254-256.

4. Анваров А.Д., Маминов А.С. Влияние параметров получения цифрового изображения структуры на характеристики однородности и упорядоченности // Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий: 18-я Всерос. межвуз. науч.-технич. конф. Казань, 2006. С.249-251.

5. Горбачев С.В., Щипачев А.М. Структурные изменения при деформационно-термической обработке сварных соединений стали 20// Мировое сообщество: проблемы и пути решения: Сб. науч. ст. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2004. № 16. С.102-105.

© А. Д. Анваров- асп. каф. материаловендения и технологии материалов КГТУ(КАИ); А. С. Маминов - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; В. А. Булкин - д-р техн. наук, проф. каф. машин и аппаратов химических производств КГТУ (КХТИ); Г. В. Встовский - д-р фих.-мат. наук, ИФХ им. Семенова (Москва).