Оценка напряжений в элементах стальных конструкций по данным ультразвуковых и магнитных измерений тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

На правах рукописи

Курашкнн Константин Владимирович

ОЦЕНКА НАПРЯЖЕНИЙ В ЭЛЕМЕНТАХ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПО ДАННЫМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ И МАГНИТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Специальность: 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

17 ОК Г 2013

Нижний Новгород - 2013

005535208

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт проблем машиностроения Российской академии наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

Мишакин Василий Васильевич

Официальные оппоненты:

Маковкин Георгий Анатольевич, доктор технических наук, доцент, Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, заведующий кафедрой «Общая физика и теоретическая механика»

Миронов Анатолий Алексеевич, кандидат технических наук, доцент, Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева, заведующий кафедрой «Динамика, прочность машин и сопротивление материалов»

Ведущая организация:

ОАО «Центральный научно-исследовательский институт «Буревестник»

Защита состоится «30» октября 2013 г. в 12ой на заседании диссертационного совета Д 212.165.08 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24, корп.1, ауд. 1258.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева.

Автореферат разослан «27_» C<Zrc/r)%c^i Я_2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета , Грамузов Евгений Михайлович

Общая характеристика работы Актуальность темы

Ряд задач, связанных с прочностью, надежностью и долговечностью машин и конструкций, невозможно решить без определения их напряженного состояния. Высокая концентрация напряжений различного происхождения является одним из факторов, ограничивающих ресурс материала, и часто служит причиной внезапного разрушения конструкций. Анализ напряженного состояния материала представляет собой сложную научно-техническую проблему и осуществляется в целях обеспечения надежности и безопасности машин и конструкций на всех стадиях их жизненного цикла, начиная с выбора конструктивного решения и заканчивая решением вопроса о снятии с эксплуатации или о продлении срока службы.

Для решения задач по оценке напряжений широкое распространение получили ультразвуковой и магнитный методы исследований, обладающие приемлемой точностью, высокой скоростью и простотой измерений, низкой стоимостью проведения работ, удобством использования в полевых условиях, безопасностью для обслуживающего персонала. Однако существующие методики и технические средства ультразвукового и магнитного контроля напряженного состояния требуют проведения измерений как в нагруженном, так и в свободном от напряжений материале, либо используют образцы-эталоны. Разгрузка конструкции, как правило, экономически невыгодна, а, зачастую, невозможна ввиду условий работы. Использование образцов-эталонов может приводить к большим ошибкам.

В связи с этим востребован метод контроля напряжений, позволяющий получать информацию без разгрузки конструкции. Разработка такого метода яапяется актуальной задачей для ответственных дорогостоящих объектов нефтегазовой промышленности, ядерной энергетики, авиационной и космической техники, непроектные нагрузки на которых могут вызвать их разрушение и привести к экологической катастрофе, материальным потерям и человеческим жертвам.

Цель работы - разработка методов определения напряжений, действующих в конструкциях из листовых сталей 08пс, 10, 15, 20, 09Г2С, 13Г1С-У и 15Г2СФ, по данным ультразвуковых и магнитных измерений.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести экспериментальные исследования влияния напряженного состояния на акустические и магнитные параметры материала.

2. Выбрать информативные параметры для построения метода определения напряжений по данным ультразвуковых и магнитных измерений.

3. Разработать методы контроля одноосных и двухосных рабочих и остаточных напряжений по данным акустических и магнитных исследований.

4. Установить фактическую точность и границы применимости разработанных методов оценки напряжений.

5. Провести апробацию разработанных методов оценки напряжений на значимых технических объектах.

Научная новизна

1. Установлена корреляционная связь между параметрами морфологической текстуры и акустической анизотропии листовых сталей 08пс, 10 и 15. Найденная связь позволяет определить собственную акустическую анизотропию материала непосредственно на нагруженной конструкции по данным металлографических исследований и оценить одноосное напряжение без разгрузки конструкции.

2. Установлено, что в листовых сталях 08пс, 15, 20, 09Г2С, 15Г2СФ в разгруженном состоянии имеет место линейная зависимость между коэффициентами Пуассона

и остаточные напряжения нарушают линейную зависимость.

3. Разработан новый метод оценки разности остаточных напряжений по отклонению коэффициентов Пуассона у31 и от линейной зависимости.

4. Для сталей 09Г2С и 13Г1С-У, обладающих магнитной анизотропией, получены соотношения между коэрцитивной силой и двухосными напряжениями.

5. Впервые разработан не требующий разгрузки материала метод оценки напряжений, основанный на совместном использовании ультразвуковых и магнитных измерений.

Положения, выпоспмые на защиту:

1. Экспериментальное обоснование корреляционной связи между параметрами морфологической текстуры и акустической анизотропии листовых сталей 08пс, 10 и 15.

2. Метод оценки одноосных напряжений по данным ультразвуковых и металлографических измерений.

3. Экспериментальное обоснование линейной зависимости между коэффициентами Пуассона у31 и г32 листовых сталей 08пс, 15, 20, 09Г2С, 15Г2СФ в разгруженном состоянии.

4. Метод оценки разности остаточных напряжений по данным ультразвуковых измерений без разгрузки материала.

5. Обоснование связи мезвду коэрцитивной силой и механическими напряжениями в магнитно-анизотропных сталях 09Г2С и 13Г1С-У.

6. Метод оценки напряжений без разгрузки конструкции, основанный на совместном использовании результатов ультразвуковых измерений коэффициентов Пуассона и измерений коэрцитивной силы.

Личный вклад автора состоит в анализе литературных источников, проведении экспериментов и интерпретации полученных результатов, разработке методов оценки напряжений по данным акустических и магнитных исследований. Все представленные в диссертационной работе экспериментальные результаты получены лично автором.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных измерительных приборов, значительным объемом экспериментальных данных, подтверждена обсуждением полученных результатов на научно-технических конференциях, верификацией разработанных методов определения напряжений и апробацией на значимых технических объектах.

Теоретическая и практическая значимость работы

Существующие методики ультразвукового и магнитного контроля механических напряжений требуют определения параметров материала в разгруженном состоянии, что значительно ограничивает область их применения. В настоящей диссертации предложены методы определения напряжений, не требующие разгрузки конструкции, основанные на совместном использовании ультразвукового и магнитного контроля. Результаты диссертации имеют большое практическое значение для объектов нефтегазовой промышленности, авиационной и космической техники, ядерной энергетики. Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:

- IX Всероссийская конференция «Нелинейные колебания механических систем». Н.Новгород, 24-29 сентября 2012 г.;

- XIX Всероссийская научно-техническая конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике. Самара, 6-8 сентября 2011 г.;

- X Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. Н.Новгород, 24-30 августа 2011 г.;

- Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве. Всероссийская научно-техническая конференция. Н.Новгород, 17-20 ноября 2009 г.;

- XXII сессия РАО. Москва, 15-17 июня 2010 г.;

- 16 Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки. Н.Новгород, 15-19 февраля 2011 г.;

- 15 Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки. Н.Новгород, 15-19 февраля 2010 г.;

- Семинар в ИПМ РАН. Н.Новгород, 23 апреля 2013 г.;

- Заседание научно-технического совета ОАО «ЦНИИ «Буревестник». Н.Новгород, 22 августа 2013 г.

Реализация результатов работы

Многие результаты исследований, представленные в настоящей работе, были получены в ходе выполнения проектов, поддержанных Российским Фондом Фундаментальных Исследований: «Разработка акустического метода измерения напряжений в элементах конструкций с учетом структурного состояния материалов» грант 08-08-97058-р_поволжье_а, «Разработка способа диагностики разрушения материалов сварных соединений на стадии накопления микроповреждений» грант 11-08-97070-р_поволжье_а.

Результаты проведенных исследований нашли применение в ООО «НПП «Иннотех» (г. Санкт-Петербург), ЗАО «СКВ «Инфотранс» (г. Н.Новгород) и ООО «Газпром газнадзор» (Волго-Камское управление, г. Н.Новгород).

Публикации

Результаты исследований, полученные при выполнении диссертации, опубликованы в 24 научных работах, в том числе в 6 статьях в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 145 страниц, включая 65 рисунков, 4 таблицы, 121 формулу. Список цитируемой литературы состоит из 90 наименований.

Краткое содержание работы

Во введении показана актуальность темы и практическая значимость работы. Обоснована необходимость разработки метода оценки напряжений, не требующего разгрузки конструкции.

В главе 1 проведен литературный обзор, который показал, что наибольшими возможностями для определения механических напряжений обладают ультразвуковой эхо-метод и магнитный индукционный метод.

Ультразвуковой контроль механических напряжений основан на акустоупругом эффекте — зависимости скорости распространения упругой волны от напряженного состояния. Исследованиями акустоупругого эффекта в структурно-неоднородных материалах и разработкой акустических методов определения напряжений занимались японские ученые Токуока, Сайто, Окада, Фукуока и др., европейские и американские ученые Томас, Джонсон, Шнайдер, Аллен, Сайерс, Шателлье и др. Значимый вклад в развитие ультразвукового контроля напряженного состояния внесли советские ученые кишиневской и киевской школ: Гузь А.Н., Анисимов В.А., Бобренко В.М., Куценко А.Н. и др. Исследованиями распространения упругих волн в твердых телах с напряжениями и разработкой методов определения напряженного состояния материалов занимаются Ерофеев В.И., Никитина Н.Е. и Углов А.Л.

Как следует из рассмотренных литературных источников, ультразвуковые методы и аппаратура для контроля напряженного состояния материалов представляют очевидный интерес и разрабатываются как в России, так и за рубежом. К настоящему времени проведены многочисленные исследования явления акустоупругости в конструкционных материалах, разработаны способы и устройства для измерения напряжений ультразвуковым методом. Однако задача определения напряжений с помощью ультразвука непосредственно на нагруженной конструкции без ее разгрузки не решена.

Для оценки напряженного состояния ферромагнитных материалов перспективно использование магнитного индукционного метода, основанного на измерении коэрцитивной силы. Согласно теории процессов намагничивания и перемагничивания, величина коэрцитивной силы определяется факторами, задерживающими необратимое смещение границ между доменами, среди которых механические напряжения. Аналитических зависимостей коэрцитивной силы от приложенных нагрузок не существует, для оценки напряжений используются

эмпирические тарировочные зависимости. Фундаментальными исследованиями по установлению связей процессов перемагничивания с папряженно-деформированным состоянием металлов занимаются ученые УрО РАН Горкунов Э.С., Ничипурук А.П., Бида Г.В. и др. Разработкой основ магнитной структуроскопии и технической диагностики элементов конструкций занимаются сотрудники ООО «Газпром ВНИИГАЗ» Кузьбожев A.C., Агиней Р.В., Андронов И.Н., Теплипский Ю.А. и др.

Анализ научных публикаций, посвященных контролю напряжений с помощью метода коэрцитивной силы, показал, что, в основном, исследуются одноосные напряжения, недостаточно освещены вопросы определения сложного напряженного состояния, мало изучено влияние магнитной анизотропии.

В конце главы 1 сформулированы цель и задачи исследования.

В главе 2 представлены исследованные материалы и методики измерений. Приведены химический состав и механические свойства исследованных сталей 08пс, 10, 15, 20, 09Г2С, 13Г1С-У и 15Г2СФ, широко используемых в промышленности. Указаны геометрические размеры образцов и элементов конструкций. Описаны использованные приборы, а также схемы и условия испытаний. Указаны погрешности измерений.

В главе 3 представлены результаты проведенных экспериментальных исследований.

Величина одноосного механического напряжения определяется акустоупругим методом через параметр акустической анизотропии:

(т = кА(А1Г-Аа), (1)

где а - механическое напряжение, Аа - величина акустической анизотропии в нагруженном материале, А0 - величина акустической анизотропии в разгруженном материале, А „(а = 0) = А0, КА - коэффициент акустоупругой связи.

При оценке одноосного напряжения акустическим методом необходимо учитывать значение А0, определяемое структурным состоянием материала.

Процесс производства листового проката связан с интенсивной пластической и термической обработкой материала, при которой изменяются размеры и форма зерен, кристаллографическая текстура.

Проведенные металлографические и акустические исследования плоских образцов из листовых сталей 10, 15 и 08нс показали, что при пластической обработке металла наблюдается связь между параметрами морфологической текстуры и акустической анизотропии (рис. 1).

При одностороннем доступе к плоским элементам конструкции параметр акустической анизотропии определяется через соотношение времен распространения поперечных упругих волн:

(2)

где Г, и h - времена распространения поперечных упругих волн, поляризованных вдоль и поперек направления проката соответственно.

Параметр морфологической текстуры или вытянутости зерен выражается следующим образом:

2(dt -cl2)

D —1

(3)

где и с12 - средний размер зерен в продольном и поперечном направлениях в плоскости проката.

Рис. 1. Связь морфологической текстуры н аку стической анизотропии для плоских

образцов из стали 08пс

Параметр морфологической текстуры Д измеряемый непосредственно на нагруженной конструкции, можно использовать для оценки собственной акустической анизотропии А0.

Для повышения эффективности ультразвукового контроля напряженного состояния сварных соединений были проведены исследования коэффициентов акустоупругой связи в зоне основного металла и в зоне термического влияния.

Результаты акустомеханических испытаний сварных образцов из сталей 09Г2С и 15Г2СФ показали, что значения собственной акустической анизотропии А0 и коэффициента акустоупругой связи Ка в зоне основного металла и в зоне термического влияния отличаются (рис. 2), что необходимо учитывать для повышения точности оценки напряжений в сварном соединении.

А о А'л

О 25 г О -J 100 О 2Í 50 .5 100

расстояние от шва, мм расстояние от шва. мм

а ó

Рис. 2. '{начення акустической анизотропии (а) и значения коэффициента К, (б) в сварном образце из стали 09Г2С

В качестве информативных параметров для определения двухосных напряжений были выбраны коэффициенты Пуассона т3| и >>32, измеряемые ультразвуковым методом при одностороннем доступе к плоским элементам конструкций:

_0.5-^/Г3):_0.5-(г3/О: =0.5 -{У2/У,У 0.5-('ЛУ ш 31 ~ 1-Ш ' 31 1-('зА:)2 '

где К] и У2 - скорости поперечных волн, поляризованных вдоль соответствующих осей ортотропного материала, У3 - скорость продольной волны, и - времена распространения поперечных волн, ?3 - время распространения продольной волны.

Проведенные ультразвуковые исследования плоских образцов и элементов труб из листовых сталей 08пс, 15, 20, 09Г2С и 15Г2СФ показали, что в отсутствии остаточных напряжений между коэффициентами Пуассона у031 и г032 существует линейная зависимость:

(5)

где г031 и 1>оз2 - значения коэффициентов Пуассона в материале без напряжений, В и О — коэффициенты.

Корреляционное поле коэффициентов Пуассона {у03ь у032} для каждого исследованного плоского образца без напряжений близко к прямой, коэффициент корреляции - более 0,9 (рис. За). В материале труб с остаточными напряжениями связи между коэффициентами Пуассона не прослеживается, после снятия остаточных напряжений путем разрезки труб между коэффициентами Пуассона уи31 и г032 наблюдается линейная зависимость (рис. 36).

° после разгрузки • до раиручки

I'M >'=,

а б

Рис. 3. Корреляционное поле коэффициентов Пуассона в плоском образце из стали 15Г2СФ (а) н в элементе трубы из стали 15Г2СФ (б)

Таким образом, линейная зависимость между коэффициентами Пуассона свидетельствует об отсутствии неоднородных напряжений. На основании полученных экспериментальных результатов предложено использовать найденную зависимость при оценке напряжений в конструкциях из листовых сталей.

Магнитный индукционный метод определения напряжений базируется на зависимости между коэрцитивной силой и величиной напряжений, действующих в материале. При использовании приставных намагничивающих устройств существует возможность определения коэрцитивной силы как вдоль, так и поперек оси растяжения:

яс| (Я»*+#"'), нс2 =1(ЯГ+ЯГ) • (6)

Экспериментально полученные для образцов из сталей 20 и 09Г2С зависимости коэрцитивной силы от одноосного напряжения предстаатены на рис. 4.

Не ■ А'см ♦ вдоль оси нагружения А поперек оси нагружения

Яг-Л см

♦ вдоль оси на)"руления а поперек осп нагружения

о-.МПа

а о

Рис. 4. Зависимости коэрцитивной силы стали 09Г2С (я) и стали 20 (б) от напряжения

В образце из стали 09Г2С при одноосном растяжении коэрцитивная сила, измеряемая вдоль оси нагружения, не изменяется, коэрцитивная сила, измеряемая поперек оси нагружения, увеличивается. В образце из стали 20 при одноосном растяжении коэрцитивная сила, измеряемая вдоль оси нагружения, уменьшается, коэрцитивная сила, измеряемая поперек оси нагружения, увеличивается.

Проведенные магнитные и тензометрические исследования сварной плиты позволили установить влияние плоского напряженного состояния на величину коэрцитивной силы стали 20 (рис. 5).

Яг '" - Не ', А см

-поперек шва - вдоль шва

<т,М11а

- поперек шва

- вдоль шва

Ьц -

\ -н-.....1

1 | / \ \

. -100. . . -5и о . 50 к». " . ^

расстояние от ценгра сварного шва. мм расстояние от центра сварного шва, мм

а б

Рнс. 5. Изменение коэрцитивной силы в сварной плите из стали 20 (а), остаточные напряжения в сварной плите из стали 20 (»): черные точки - расчет по данным измерений коэрцитивной силы, белые точки - измерения с помощью тснзорезисторов

В главе 4 предложены методы оценки напряжений без разгрузки конструкции.

Один из методов основан на использовании корреляционной зависимости между параметрами акустической анизотропии и морфологической текстуры. Для реализации метода проводятся обучающие исследования на образцах и устанавливается связь между параметрами акустической анизотропии и морфологической текстуры. Найденная связь используется при оценке одноосных напряжений в элементах конструкций, выполненных из тех же материалов, что и исследованные образцы, и имеющих схожую термическую и пластическую обработку.

Дг|Я плоских образцов из листовых сталей 10 и 08нс корреляционная зависимость между параметрами собственной акустической анизотропии и морфологической текстуры хорошо описывается уравнением:

А0 = кло4Ъ, (7)

где - коэффициент пропорциональности.

Таким образом, измеряя на нагруженной конструкции акустическую анизотропию А, например, с помощью электромагнитно-акустического преобразователя, и морфологическую текстуру й с помощью переносного металлографического комплекса, можно определить одноосное напряжение, не разгружая конструкцию:

(Т = КА(Аа-кА1]40). (8)

Другой метод базируется на отличии значений акустической анизотропии и коэффициента акустоупругой связи в зоне основного металла и в зоне термического влияния сварного шва. Установление связи между параметрами акустической анизотропии основного металла Л0 и металла околошовной зоны А0 в процессе обучающего эксперимента, позволяет определить величину напряжения:

,

где КА* - значение коэффициента КА в зоне термического влияния, Аа /А„.

Метод применим дня грубой оценки напряжения в металле сварного соединения.

Третий метод основан на анализе коэффициентов Пуассона г3| и \>Ъ1, измеряемых ультразвуком при одностороннем доступе к конструкции. Для листовых сталей 08пс, 15, 20, 09Г2С и 15Г2СФ экспериментально установлено, что в отсутствии остаточных напряжений между коэффициентами Пуассона Л'031 и у032 существует линейная зависимость (5), присутствие неоднородных напряжений нарушает линейную зависимость.

Из уравнений акуетоупругости для ортотропного материала были получены зависимости коэффициентов Пуассона и г32 от напряжений:

к„ = Ут, + т„сг, + /я,,О",, и,, = к032 +тиа, +т21а1, (10)

где <7! и <т2 - главные напряжения, действующие вдоль осей и л2 ортотропного материала, 1'03| и г032 - значения коэффициентов Пуассона в материале без напряжений, тц - коэффициенты, выражаемые через упругие модули второго и

третьего порядков (определяются в результате акустомеханических испытаний образцов).

Для оценки напряжений был выбран параметр <5v, представляющий собой отклонение коэффициентов Пуассона от линейной зависимости:

ÓV = V32-BV„-Q. (11)

Величина отклонения зависит Sv от напряжений следующим образом:

¿>V = (m2l -Вти)о,+(т22 -Втп)а2 = с,ст, + с2а2. (12)

Определение коэффициентов с, и с2 для образцов из сталей 08пс, 15, 20, 15Г2СФ и 09Г2С показало, что они фактически равны по абсолютной величине даже для материала с существенной анизотропией и различаются знаком. С учетом значений С! и с2 из (11) и (12) была получена формула для оценки разности главных напряжений:

a2-<T,=krSv, (13)

где kv — коэффициент, значения которого для исследованных сталей лежат в диапазоне 200^-240 ГПа.

Верификация разработанного метода оценки разности главных напряжений с результатами электротензоизмерений была проведена в ходе исследований сварной плиты из стали 20 (рис. 6). Результаты, полученные по формуле (13) и с помощью тензорезисторов, совпадают.

(T~-cr¡, D электротешотмерения

МПа: ультразвуковые измерения то

юо о

-изо -:оо

ОЮ ;о ?о до 50 ел то so 90 юо рассгояик от шве. мм.

Рис. б. Остаточные напряжения в материале сварной плиты из стали 20

Разработан метод оценки напряжений, основанный на совместном использовании ультразвуковых измерений коэффициентов Пуассона и измерений коэрцитивной силы.

Результаты проведенных магнитных исследований сталей 09Г2С и 20 позволили предположить, что величина коэрцитивной силы зависит от напряжений следующим образом:

=#ci +ÍM0-. +Чп<*г, Н"с2=Н0с2+Ч2ха, +q22CT2, (14) где q¡j - коэффициенты, значения которых зависят от вида напряженного состояния и от магнитных свойств материала. Уравнения (14) хорошо описывают наблюдаемые зависимости коэрцитивной силы сталей 09Г2С и 20 от одноосных и двухосных напряжений.

i I ; !

N i i ; i-.

!—

; ;

Анализ полученных результатов показал, что для стали 09Г2С характерна анизотропия магнитных свойств: коэрцитивная сила, измеряемая в двух взаимно перпендикулярных направлениях, отличается более чем на 15%, при этом Таким образом, для оценки напряжений в конструкциях из стали 09Г2С и подобных, обладающих анизотропией коэрцитивной силы, можно использовать следующие соотношения:

^ = -с: -о,> ^ = Яс. "а. _ (15)

Чп ' Чм

В качестве примера практического применения соотношений (15) на рис.7 представлены результаты определения остаточных напряжений от кольцевого сварного шва в трубе из стали 13Г1С-У. Для оценки напряжений использовались данные измерений коэрцитивной силы (рис. 1а). Распределения остаточных напряжений, полученные с помощью (15) совпадают с результатами аналитического расчета по формулам теории сварочных деформаций и напряжений (рис. 76).

-к

Не. А'см

- ориентация поперек nina

- ориентация вдоль шва

а. МПа

"осевое - кольцевое

-:оо -:сю ■

;____; чФ^ i -5-0 twe

.XÍ

г

о :о jo 60 so юо 1:0 расстояние от шва. мм

n in Kü ни'. г;о

расстояние от misa. >га

а б

Рис. 7. Зависимость коэрцитивной силы от расстояния от шва (я), распределение остаточных напряжений (ó): расчет по данным измерений коэрцитивной силы -черные точки, аналитический расчет - белые точки

Чтобы оценить напряжения с помощью (15), необходимо знать значения //С1° и II сг- Для определения Hci° и Hez требуется либо разгрузить конструкцию, либо найти участки без напряжений. Разгрузка конструкции не всегда возможна ввиду условий работы и, как правило, сопряжена с существенными экономическими потерями. В связи с этим целесообразно применить дополнительные исследования, чтобы определить участки материала, где выполняются условия <т,~ 0; aj-O. Эта задача решается путем ультразвуковых измерений и последующего анализа коэффициентов Пуассона v3i и v32.

Порядок действий выглядит следующим образом. Ультразвуковым эхо-методом измеряются коэффициенты Пуассона vji и л>32 на участке, где требуется получить распределение напряжений. В тех же зонах измеряются величины Нсi и На-Затем анализируется корреляционное поле коэффициентов Пуассона {v31; v32}, выделяются участки, где влияние напряжений минимально. В этих зонах наблюдается линейная зависимость между коэффициентами Пуассона (5). Коэффициенты В и Q определяются в результате регрессионного анализа данных методом наименьших

квадратов. Для остальных зон по формуле (11) вычисляется отклонение Sv и по формуле (13) оценивается разность напряжений а2-сг,. Далее определяются значения Нсi° и Hci, соответствующие ненагруженным областям материала, и с помощью (15) рассчитываются напряжения Ст) и <г2. Затем значения разности напряжений, полученные в результате ультразвуковых и магнитных исследований, сравниваются между собой.

В конце главы 4 представлены результата апробации разработанного метода оценки напряжений по данным измерений коэффициентов Пуассона и коэрцитивной силы. В полевых условиях были исследованы остаточные напряжения в материале трубы газопровода из стали 09Г2С.

В результате ультразвуковых исследований были получены распределения коэффициентов Пуассона v3i и v32 вдоль оси трубы (рис. 8а). На рис. 86 представлено корреляционное поле {v31;v32}. Значения коэффициентов Пуассона определяются особенностями структуры материала и влиянием остаточных напряжений. На рис. 8 белые точки соответствуют зонам, в которых сг,0; ст2 0.

расстояние от шва, мм

а б

Рнс. 8. Коэффициенты Пуассона в трубе из стали 09Г2С

В результате регрессионного анализа были получены коэффициенты линейной зависимости, показанной на рис. 86: В = 0,7701, = 0,0967. Далее для каждой зоны по формуле (5) рассчитывался параметр Зу. Значение разности напряжений <т2 - сг, в каждой зоне вычисляли по формуле (13) при ку = 210 ± 14 ГПа.

Наибольшая абсолютная погрешность составила 34 МПа при значении разности напряжений 262 МПа. Измеренные с помощью ультразвука напряжения являются средними по толщине материала.

Для получения распределения напряжений о\ и <т2 были проведены измерения коэрцитивной силы. Распределения средних показаний коэрцитиметра при ориентации датчика вдоль и поперек оси трубы представлены на рис. 9а.

Так как по данным ультразвуковых исследований на расстоянии 150^-200 мм от сварного шва остаточные напряжения отсутствуют, в этих зонах были определены значения Яа° = 3,3±0,1 и Не? = 3,8 ± ОД. Далее по формулам (15) при </21 = 0,0051 ±0,0002, д12 = 0,0027 ± 0,0003 были рассчитаны остаточные напряжения и а2 (рис. 96).

Основные результаты работы

1. В результате проведенных ультразвуковых и металлографических исследований плоских образцов из сталей 08пс, 10 и 15 установлено, что между параметрами морфологической текстуры и акустической анизотропии существует корреляционная связь. Предложен метод оценки напряжений, при котором величина начальной акустической анизотропии материала оценивается в нагруженном состоянии посредством металлографических исследований морфологической текстуры.

2. В результате акустомеханических испытаний сварных соединений из сталей 09Г2С и 15Г2СФ получено, что параметр собственной акустической анизотропии и коэффициент акустоупругой связи зависят от расстояния от сварного шва, что необходимо учитывать при оценке напряжений в сварном соединении. Предложен алгоритм оценки напряжений в сварном соединении, использующий различия анизотропии и коэффициентов акустоупругой связи основного металла и металла в зоне термического влияния сварного шва.

3. Экспериментально установлено, что в листовых сталях 08пс, 15, 20, 09Г2С, 15Г2СФ в разгруженном состоянии между коэффициентами Пуассона у3, и у32 существует линейная зависимость, остаточные напряжения нарушают линейную зависимость между коэффициентами Пуассона у3] и у32. Разработан метод оценки разности остаточных напряжений, основанный на измерении отклонения коэффициентов у3) и у32 от линейной зависимости.

4. Получены соотношения между коэрцитивной силой и двухосными напряжениями для сталей 09Г2С и 13Г1С-У, обладающих магнитной анизотропией.

5. Разработан метод определения неоднородных напряжений в материале без его разгрузки, основанный на совместном использовании результатов измерений коэффициентов Пуассона и коэрцитивной силы.

6. Проведена апробация разработанного метода определения напряжений в полевых условиях на трубе газопровода из стали 09Г2С.

Отпечатано в типографии "Activ print" Тираж 100 шт. 2013г.