25. Оценка остаточного ресурса на основе механики разрушения.
28. Оценка остаточного ресурса металлической конструкции на основе измерения
магнитного параметра - коэрцитивной силы.
Безопасность грузоподъемных машин, в том числе после истечения нормативного срока службы, связана с конструктивными особенностями, качеством изготовления, монтажа, режимами их эксплуатации и рядом других факторов. Однако для тяжело нагруженных грузоподъемных машин основным техническим препятствием для безопасной эксплуатации становится усталость металла. Широко используемые в настоящие время методы неразрушающего контроля – ультразвуковой, рентгеноскопия, капиллярный и др., к сожалению, не позволяют дать количественную оценку структурных изменений в металле и определить напряженно-деформированное состояние металлоконструкций. Эти методы решают задачу обнаружения уже сформировавшихся в процессе изготовления или эксплуатации локальных дефектов. Фактически вступая в противоречие с механикой разрушения, устанавливающей размеры допустимых неразвивающихся дефектов и определяющей параметры вязкости разрушения и ресурса материалов с трещинами.
Все процессы образования и развития дефектов носят вероятностный характер. Дефекты в конструкциях грузоподъемных машин часто наследуются при производстве металлопродукции или появляются на стадии сборки и монтажа конструкции. При эксплуатации – это следствие нарушений паспортных режимов и неквалифицированный ремонт несущих элементов. Строго говоря, бездефектных металлоконструкций вообще не бывает, а наличие дефектов далеко не всегда приводит к аварии. По статистике Ростехнадзора в авариях чаще виноват человеческий фактор, чем разрушение элементов конструкции. Тем не менее, наиболее тяжелые случаи это результат техногенных катастроф, связанных с разрушением металлоконструкций.
По данным Ростехнадзора на территории Российской Федерации находятся в эксплуатации около 300 тысяч регистрируемых грузоподъемных машин, из которых практически 85% отработали нормативный срок службы. Быстрой замены оборудования ожидать не приходится. Отсюда возникает проблема ранжирования и выбраковки устаревшего оборудования по его техническому состоянию. Применение критериев магнитного контроля и статистический подход к решению этой проблемы может оказаться чрезвычайно полезным. Магнитный контроль по коэрцитивной силе расширяет возможности неразрушающего контроля металлоконструкций за счет контроля над накоплением рассеянных повреждений и перехода металла в упруго-пластическое состояние. Использование данных об исходном состоянии несущих элементов кранов позволяет ставить начальные условия при управлении промышленной безопасностью грузоподъемных машин и решении задачи прогнозирования остаточного ресурса грузоподъемных машин.
Выбор метода диагностики технического состояния металлоконструкций из малоуглеродистых и низколегированных сталей должен определяться, как минимум, двумя факторами: наличием физически обоснованных параметров контроля и аппаратурным обеспечением, позволяющим осуществлять контроль с требуемой точностью и воспроизводимостью.
Для контроля ферромагнитных материалов ГОСТ 18353-79 рекомендует применять в качестве первичного информативного магнитного параметра величину коэрцитивной силы Нс, а количественную оценку состояния металла производить с помощью приборов на основе датчиков Холла. Такие приборы относятся к классу магнитных коэрцитиметров. А если они выполняют функции контроля структуры металла, то их называют магнитными анализаторами или структуроскопами.
За сто лет существования магнитного метода в России сформировалось научное направление, обосновавшее возможность контроля физико-механических свойств ферромагнитных материалов на протяжении всего срока существования оборудования, начиная с этапа его производства, включая контроль деградации свойств при эксплуатации и заканчивая утилизацией оборудования [208, 209, 210]. И, хотя до сих пор нет единой теории магнетизма, экспериментально-аналитическая база для решения прямых и обратных задач по технической диагностике оборудования, работающего при длительных статических и циклических нагрузках, создана и имеет нормативное обеспечение в виде Межгосударственного стандарта ГОСТ 30415-96 и Методических указаний РД ИКЦ «Кран» 007-97-02 [211, 212]. Аппаратурное обеспечение магнитного контроля – коэрцитиметр КРМ-ЦК-2М, разработанный НПФ «СНР» и МНПО «СПЕКТР».
Коэрцитивная сила Нс была выбрана в качестве основного измеряемого параметра так как она чувствительна к изменениям в тонкой структуре металла (электроны, решетка, домены, дислокации) и на основе анализа полной петли магнитного гистерезиса позволяет контролировать физико-механические свойства (твердость, пределы прочности и текучести, накопление повреждений, пластическую деформацию) [213, 214, 215], т.е. Нс отражает состояние контролируемого ферромагнитного материала в реальном масштабе времени.
В ферромагнетике под действием магнитного поля Н создается такая намагниченность М, которая в десятки и сотни раз превышает намагничивающее поле. Эта способность сохраняется до температуры Кюри (у железа – 768°С, у никеля – 358°С). Магнитная индукция:
, (5.1)
где: μО – относительная магнитная проницаемость, при насыщении в процессе циклического перемагничивания достигает значения ВSмах, которое можно уменьшить до В=0 при приложении размагничивающего поля Нс.
На рис. 5.1а изображена полная (предельная) петля магнитного гистерезиса и величина Нс.
Рис. 1. Магнитная
и деформационная петли гистерезиса при
малоцикловой усталости
31. Оценка остаточного ресурса на основе закономерностей изменения акустических характеристик в зависимости от структурного состояния, физико-механических свойств и накопленной микроповрежденности длительно работающего металла (акустический метод).
Основаны на регистрации и анализе параметров упругих волн, возникающих или возбуждаемых в объекте контроля. Объектом контроля могут быть материалы, полуфабрикаты и готовые изделия. Когда используются волны ультразвукового диапазона, методы можно назвать ультразвуковыми. Методы акустического контроля основаны на свойстве упругих волн создавать тесные связи с некоторыми свойствами материалов (анизотропией, плотностью, упругостью и др.) Поскольку акустические свойства твердых веществ и воздуха значительно разнятся, становится возможным выявление с помощью акустических методов неразрушающего контроля малейших дефектов, определение качества шлифовки и толщины поверхностей.
Сфера применения акустических методов довольно широка. Идею, связанную с регистрацией и анализом параметров упругих волн используют ультразвуковые дефектоскопы. Их применение имеет широкую область: все, проводящие акустические волны материалы. Методы контроля делятся на активные и пассивные, в зависимости от характера взаимодействия с контролируемым объектом. В первом случае исследуются волны, которые возникают в самом объекте, в этом случае по шумам работающего устройства можно сказать о его исправности, неисправности и даже определить характер неисправности. К активным методам относятся способы, базирующиеся на измерении интенсивности пропускаемого или отражаемого объектом акустического сигнала.
Акустические методы неразрушающего контроля используются для обнаружения как внутренних, так и поверхностных дефектов (нарушений сплошности, неоднородности структуры, межкристаллитной коррозии, дефектов склейки, пайки, сварки и т.п.). Этот метод дает возможность измерять геометрические параметры, когда доступ к изделию затруднен, а также физико-механические свойства металлов и изделий из них без их разрушения. Методы звукового диапазона (импедансный, свободных колебаний и др.) методы ультразвукового диапазона (эхо-импульсный, резонансный, теневой, эмиссионный, велосиметрический).
Акустические методы основаны на возбуждении упругих механических колебаний. По параметрам этих колебаний и условиям их распространения судят о физико-механических характеристиках и состоянии исследуемого материала.
В зависимости от частоты колебаний акустические методы делятся на ультразвуковые (при частотах от 20 тыс. Гц и выше) и методы, основанные на использовании колебаний звуковой (до 20 тыс. Гц) и инфразвуковой (до 20 Гц) частот.