Контроль напряженно-деформированного состояния оборудования и конструкций при оценке остаточного ресурса на объектах промышленности и транспорта

Современная диагностика состояния конструкционных материалов, располагающая большим арсеналом различных физических методов и средств, уже не ограничивается задачами дефектоскопии, но все более широко используется при решении задач определения механических характеристик материалов, причем основное место здесь занимают методы и средства измерения остаточных и рабочих внутренних напряжений.

В связи с этим обстоятельством на первый план выходят методы технической диагностики, сочетающие механику разрушений, металловедения и неразрушающего контроля. К таким методам относятся, в первую очередь, методы контроля напряженно-деформированного состояния (НДС).

Проблемой измерений механических напряжений в работающих конструкциях с целью оценки их состояния в настоящее время занимаются все ведущие диагностические центры мира. Однако, до сих пор эффективность различных методов и средств контроля напряжений остается низкой при их использовании непосредственно на оборудовании.

Анализ возможностей известных методов контроля напряжений и деформаций в основном металле и в сварных соединениях оборудования и конструкций позволяет назвать следующие их существенные недостатки:

· непригодность для контроля протяженных трубопроводов и конструкций, крупногабаритных изделий, оборудования и сосудов;

· невозможность использования большинства методов в области пластической деформации;

· не учитывается изменение структуры металла;

· невозможность оценки глубинных слоев металла для большинства методов контроля;

· требуется построение градуировочных графиков на основе испытаний предварительно изготовленных образцов, которые, как правило, не отражают фактическое энергетическое состояние оборудования;

· требуется подготовка контролируемой поверхности и объектов контроля (зачистка, активное намагничивание, клейка датчиков и прочее);

· сложность определения положения датчиков контроля по отношению к направлению действия максимальных напряжений и деформаций, определяющих надежность оборудования.

Кроме того, традиционные методы и средства НК напряжений, которые основаны на активном взаимодействии сигнала прибора с металлом конструкции, получают косвенную информацию о напряженном состоянии объекта контроля, т.е. имеют недостаточную информативность физических полей, используемых при контроле. Действительно, вводимое в исследуемый материал поле, взаимодействуя с собственными полями материала, меняет его свойства и характеристики НДС объекта контроля. При этом характер, величина и время жизни изменений определяются динамическим соотношением энергий взаимодействующих полей. На практике, при проведении диагностики, такие изменения просто не учитывают.

Данное замечание относится, в первую очередь, к следующим методам:

· метод коэрцитивной силы (приборы-коэрцитиметры различных модификаций);

· метод магнитной анизотропии (приборы типа Комплекс 2.05 и 2.06);

· методы, использующие эффект Баркгаузена (приборы типа Стресскан, Интромат, Пион и другие).

Необходимо помнить, что любое искусственно вводимое от прибора физическое поле в объект контроля, находящийся в напряженно-деформированном состоянии (даже после снятия рабочих нагрузок), обязательно будет взаимодействовать с собственными физическими полями материала (например, электромагнитными), сформировавшимися на уровне кристаллической решетки. Не учитывать фактическое энергетическое состояние объекта контроля (о чем свидетельствует "магнитная память металла") - грубейшая ошибка для всех методов контроля НДС! Особенно это относится к ЗКН, которые сосредоточены, как правило, на глубине и в объеме, и на поверхность изделия выходят в виде линий скольжения (места образования трещин!) шириной в несколько микрон (и даже нескольких долей микрона!). Кроме того, выполнение контроля осуществляется, как правило, на остановленном в ремонт оборудовании, после снятия рабочих нагрузок в условиях остаточного НДС, когда напряжения и деформации имеют противоположный знак и другие значения по сравнению с рабочими. В данных объективных условиях указанные выше методы контроля оказываются не эффективными для оценки фактического НДС объекта контроля, как по своей физической сущности, так и по метрологическим условиям (датчики приборов, как правило, значительно превышают площади ЗКН), а, главное, не известно на какую глубину искусственно намагничивать металл, где и как ставить датчик, когда не известны зоны максимальных напряжений (рабочих или остаточных).

Таким образом, перечисленные выше недостатки известных методов контроля НДС обусловлены физической сущностью этих методов и являются закономерными. Отсутствие метрологической базы для сертификации и поверки средств измерений характеристик НДС материалов (до сих пор в России и других странах нет единых эталонов и образцов) приводят к неоднозначности требований и ошибочности методического подхода к разрабатываемым средствам контроля. Кроме того, в настоящее время ни в одной стране мира нет программ и центров обучения специалистов по неразрушающему контролю НДС оборудования и конструкций. Отсутствуют стандарты ¹⁾, излагающие общие требования к методам и средствам НК напряжений и деформаций в конструкциях.

¹⁾ Впервые такой стандарт подготовлен в России специалистами ООО "Энергодиагностика" и представлен 14 июля 2004 года на заседании V комиссии Международного института сварки в г.Осака (Япония) для обсуждения и получения отзыва. Стандарт называется "Контроль неразрушающий. Контроль напряженно-деформированного состояния объектов промышленности и транспорта при оценке ресурса оборудования. Общие требования".

При оценке ресурса оборудования, как известно, непременным условием является определение фактического напряженно-деформированного состояния с выявлением зон концентрации напряжений (ЗКН)²⁾ - основных источников развития повреждений - на основе 100% обследования всего объема металла. Именно ЗКН определяют работоспособность любой конструкции, а не расчетные, средние значения рабочих напряжений.

²⁾ Следует отличать традиционное понятие "концентратор напряжений", обусловленный конструкцией изделия, от материаловедческого понятия "концентрация напряжений", возникающая в зонах устойчивых полос скольжения дислокаций, обусловленных действием рабочих нагрузок. ЗКН-локальная зона изделия, в которой возникла большая деформация по сравнению со средней деформацией по всему объему изделия, обусловленная неудачным сочетанием особенностей конструкции, неоднородности структуры материала и рабочими нагрузками.

Известно, что под действием эксплуатационных нагрузок работа металла оборудования в основном определяется скольжением дислокаций и сдвиговой деформацией. При этом накопление усталостной повреждаемости металла во многих случаях происходит в условиях мало и многоцикловой рабочей нагрузки. Очевидно, что традиционные методы контроля напряжений не могут оценить фактическое НДС конструкции, так как в общем случае неизвестны ЗКН, обусловленные сдвиговой деформацией. В ходе промышленных исследований установлено, что только "пассивные" методы диагностики НДС могут ответить на поставленные вопросы, и являются наиболее пригодными для практики.

К пассивным методам НК, использующим измерения собственных физических полей конструкций, прежде всего, следует отнести:

· метод акустической эмиссии (АЭ);

· метод магнитной памяти металла (МПМ).

Эти два метода получили в настоящее время наибольшее распространение на практике для ранней диагностики повреждений оборудования и конструкций. Кроме того, именно эти два метода позволяют в настоящее время обеспечить 100% обследование оборудования в режиме экспресс-контроля.

Как показала практика, метод МПМ по сравнению с методом АЭ дополнительно дает информацию о фактическом НДС объекта контроля, что позволяет более объективно определить не только ЗКН, но и причину образования этой зоны. При этом никаких подготовительных работ для применения метода МПМ на объекте контроля не требуется.

Рассмотрим отдельные примеры оценки НДС оборудования с использованием метода МПМ.

На рис.1 представлено распределение нормальной составляющей поля Н р вдоль растянутой и сжатой сторон вертикальной трубы Ø25х3мм, зажатой между двумя горизонтальными трубами Ø42х4мм трубы. Трубы изготовлены из стали 3. Видимый изгиб участка трубы Ø25х3мм произошел при нагреве трубной системы отопления горячей водой от комнатной температуры ~20ºС до 50÷55ºС. Без выполнения специальных расчетов уровня изгибных напряжений сделаем качественную и количественную оценку НДС данного участка трубы по характеру распределения поля Н р.

Рис.1. Распределение нормальной составляющей поля Н _р вдоль растянутой и сжатой сторон вертикальной трубы Ø25х3мм, зажатой между двумя горизонтальными трубами Ø42х4мм трубы: 1 - труба, ст.3, Ø25х3мм; 2 - труба, ст.3, Ø42х4мм; 3 - тройник; 4 - линии Н _р=0.

Величина поля Н р в зоне максимального прогиба по всему периметру трубы (сжатая, растянутая и нейтральная) имеет практически одинаковое значение, равное 400А/м. Результаты измерений соответствуют расчетным закономерностям, полученным в специальных методических исследованиях. Следует особо рассмотреть распределение поля Н р со сменой знака в зонах изменения знака деформации трубы (см. узел А на рис.1). При этом положение линии Н р=0, как видно из рисунка, носит закономерный характер. Многолетний опыт исследования магнитных полей на трубопроводах и различном оборудовании выявил наличие устойчивых линий смены знака нормальной составляющей напряженности магнитного поля Н р в зонах развивающихся повреждений металла. Именно этот диагностический параметр (линия Н р=0) был положен в основу практических методик контроля оборудования с использованием магнитной памяти металла. В работах [1,2] было показано, что линии Н р=0, фиксируемые на поверхности трубы, соответствуют плоскостям скольжения дислокаций по сечению трубы. Прямое экспериментальное подтверждение совпадения линии Н р=0 с линией концентрации напряжений (ЛКН)³⁾ и с максимальной плотностью дислокаций было получено в работе [3].

3) В более поздних исследованиях было установлено, что ЛКН в общем случае соответствует линии максимального градиента поля Н р (dН р/ dx).

На рис.2 представлены основные зависимости, характеризующие НДС чистого железа при механическом воздействии, полученные в работе [1] в результате расчетных исследований. Из рис.2, б видно, что угол плоскости скольжения по отношению к нормальным напряжениям растяжения имеет значительно меньшее значение по сравнению с напряжениями сжатия. Например, при напряжениях растяжения 12кг/мм² для чистого железа угол плоскости скольжения равен ~45º, а при напряжениях сжатия той же величины 12кг/мм² этот угол равен ~70º. Простые расчеты углов плоскостей скольжения по результатам измерений поля Н р, представленным на рис.1, показывают следующее. Угол между линией Н р=0 и осью трубы со стороны напряжений растяжения равен:

где с - длина линии скольжения (Н р=0).

Угол между линией Н р=0 и осью трубы со стороны напряжения сжатия равен (90º-26,5º)=63,5º. Таким образом, простым геометрическим расчетом углов расположения линий Н р=0 по отношению к оси трубы, выявленных при контроле методом МПМ, подтвердили справедливость закономерностей, установленных в работе [2]. При наличии зависимости α(σ) для стали 3, аналогичной для чистого железа (см. рис.2, б), на основании данных контроля методом МПМ можно по углу α непосредственно на трубопроводе определять величину и знак остаточных напряжений.

Рис.2 a.	Рис.2 б.	Рис.2 в.
Рис.2 г.	Рис.2 д.	Рис.2 е.

Рис.2. Основные зависимости, характеризующие НДС чистого железа при механическом воздействии: а - коэффициент Пуассона; б - угол плоскости скольжения; в - сдвиговая деформация; г - плотность дислокаций N =10 ^nd; д - сдвиговая деформация; е - плотность дислокаций N =10 ^nd; σ - механические напряжения сжатия и растяжения, кГ/мм²; σ_пц=0,95; σ_т=4,3; σ_в=17; ε_в=0,14.

На рис.3 представлены результаты контроля участка паропровода острого пара (нитка Б), полученные на блоке №1 Конаковской ГРЭС. Из рис.3, б (нижняя часть графика) видно, что градиент нормальной составляющей поля (dН р/ dx) при пересечении трещины (Тр1), имеющей длину 60мм и большее раскрытие, имеет значение в 1,5 раза меньше, чем при пересечении трещины (Тр2), имеющей длину 7 мм и меньшее раскрытие. Из рис.3, б также видно, что градиент поля в зоне КН оказался примерно равным градиенту поля, полученному на трещине (Тр2), находящейся в начальной стадии развития.

Рис.3 а. Результаты контроля участка паропровода острого пара: 1 - направление контроля; 2 - подвеска; 3 - КН; 4 - трещина 1; 5 - трещина 2; 6 - ГП3.

Рис.3 б. Результаты контроля участка паропровода острого пара: 1 - трещина 1; 2 - трещина 2; 3 - зона КН.

Оценка абсолютных значений уровня остаточных напряжений, в зоне КН (см. рис.3), выполненная по имеющейся в ООО "Энергодиагностика" методике, показывает, что в данном случае эта величина (оценка велась по нормальной составляющей поля Н р) значительно превышает предел прочности металла паропровода (сталь 15Х1М1Ф, σ_в=500-700 МПа). Это хорошо согласуется с известным положением о том, что на острие трещины уровень концентрации напряжений может достигать критического значения.

Как было отмечено ранее, основным диагностическим параметром НДС по методу МПМ является градиент магнитного поля рассеяния Н р (dН р/ dx), фиксируемого при сканировании датчиком прибора типа ИКН вдоль поверхности оборудования. Установлено, что именно этот диагностический параметр в силу магнитомеханического эффекта напрямую отображает энергетическое состояние поверхности и глубинных слоев металла в ЗКН. При этом максимальное значение градиента поля, определяемое на поверхности металла с точностью до миллиметра, соответствует источнику возникновения трещины. В области наиболее интенсивного процесса деформации и в конечном итоге разрушения доменная структура претерпевает значительные изменения. Размеры доменов, направления которых совпадают с направлением скольжения, достигают критических размеров. Расчетными исследованиями в работе [4] показано, что критический размер домена технического железа может иметь объем, охватывающий до десятка зерен. В итоге домен с максимальными размерами "раскалывается" - образуется трещина. В настоящее время ООО "Энергодиагностика" располагает количественными критериями, характеризующими предельное состояние металла по условиям прочности и начальное развитие трещин.

В работе [5] представлены различные примеры из практики, иллюстрирующие возможности метода МПМ при контроле НДС не только трубопроводов, но и других различных узлов оборудования и конструкций.

Например, имеющийся опыт 100% обследования роторов турбин К-300 Конаковской ГРЭС, К-200 Череповецкой ГРЭС и Заинской ГРЭС, Т-100 Северодвинской ТЭЦ-2, ПТ-60 и Т-100 Петрозаводской ТЭЦ и других (всего обследовано более 100 турбин различных типов) позволяет сделать заключение: ЗКН - источники развития повреждений (как правило, в виде трещин) составляют не более 3-5% от всей поверхности и объема металла роторов. Остальные 95% объема металла роторов турбин после их длительной эксплуатации находятся в удовлетворительном состоянии! Таким образом, проблема оценки ресурса роторов турбин решается путем своевременного выявления зон максимальной концентрации напряжений и их удаления обычной шлифовкой в процессе ремонта. Аналогичный подход при оценке ресурса с использованием 100% обследования методом МПМ используется предприятием ООО "Энергодиагностика" на всех видах оборудования: турбины, котлы, трубопроводы пара и воды, газонефтепроводы, сосуды и другие объекты контроля.

На основании 20-летнего опыта применения метода МПМ на практике можно сделать заключение об уникальных его возможностях по выявлению локальных ЗКН, определяющих фактическое НДС, надежность и ресурс оборудования. Кроме того, следует еще раз подчеркнуть, что абсолютная величина напряжений в локальной ЗКН, характеризующейся линиями с максимальными значениями градиента поля (ширина этих линий скопления дислокаций ~0,1÷10 мкм), перед началом развития макротрещины на порядок больше условного предела прочности металла σв. Очевидно, что в этих условиях традиционные методы НК напряжений, предназначенные для определения средних значений напряжений σ на протяженных участках, оказываются непригодными для их использования на практике.

Литература

1. Дубов А.А. Диагностика котельных труб с использованием магнитной памяти металла. М.: Энергоатомиздат, 1995, 112с.

2. Дубов А.А. Исследование свойств металла с использованием метода магнитной памяти // Металловедение и термическая обработка металлов. №9, 1997. С.35-39.

3. Горицкий В.М., Дубов А.А., Демин Е.А. Исследование структурной повреждаемости стальных образцов с использованием метода магнитной памяти металла // Контроль. Диагностика. №7, 2000.

4. Власов В.Т., Дубов А.А. Физические основы метода магнитной памяти металла. М.: ЗАО "ТИССО", 2004, 424с.

5. Дубов А.А. Диагностика прочности оборудования и конструкций с использованием магнитной памяти металла // Контроль. Диагностика. №6, 2001. С.19-30.

Дата добавления: 2015-06-27