- •1. Задачи, системы и типовая программа технической диагностики
- •1.1. Цель и задачи технической диагностики
- •1.2. Виды дефектов, качество и надежность машин
- •1.3. Восстановление работоспособности оборудования
- •1.4. Виды состояния оборудования, системы технической диагностики
- •1.5. Типовая программа технического диагностирования
- •1.6. Виды неразрушающего контроля, его стандартизация и метрологическое обеспечение
- •2. Методы вибрационной диагностики
- •2.1. Сущность вибродиагностики и ее основные понятия
- •2.2. Средства контроля и обработки вибросигналов
- •2.3. Виброактивность роторов
- •2.4. Виброактивность подшипников и их диагностика
- •2.5. Виброактивность зубчатых передач и трубопроводов
- •2.6. Вибродиагностика и вибромониторинг общих дефектов машинного оборудования
- •3. Оптические методы, визуальный и измерительный контроль
- •3.1. Классификация оптических методов контроля
- •3.2. Особенности визуального контроля
- •3.3. Визуально-оптический и измерительный контроль
- •4. Капиллярный контроль
- •4.1. Физическая сущность капиллярного контроля
- •4.2. Классификация и особенности капиллярных методов
- •4.3. Технология капиллярного контроля
- •4.4. Проверка чувствительности капиллярного контроля
- •5. Течеискание
- •5.1. Термины и определения течеискания, количественная оценка течей
- •5.2. Способы контроля и средства течеискания
- •5.3. Масс-спектрометрический метод
- •5.4. Галогенный и катарометрический методы
- •5.5. Жидкостные методы течеискания
- •5.6. Акустический метод
- •6. Радиационный контроль
- •6.1. Источники ионизирующего излучения
- •6.2. Контроль прошедшим излучением
- •6.3. Радиографический контроль сварных соединений
- •7. Магнитный неразрушающий контроль
- •7.1. Область применения и классификация
- •7.2. Магнитные характеристики ферромагнетиков
- •7.3. Магнитные преобразователи
- •7.4. Магнитная дефектоскопия, магнитопорошковый метод
- •7.5. Дефектоскопия стальных канатов
- •7.6. Метод магнитной памяти
- •7.7. Магнитная структуроскопия
- •8. Вихретоковый, электрический и тепловой виды контроля
- •8.1. Вихретоковый вид контроля
- •8.2. Электрический вид контроля
- •8.3. Тепловой вид контроля
- •9. Ультразвуковой неразрушающии контроль
- •9.1. Акустические колебания и волны
- •9.2. Затухание ультразвука
- •9.3. Трансформация ультразвуковых волн
- •9.4. Способы получения и ввода ультразвуковых колебаний. Конструкция пьезопреобразователей
- •9.5. Аппаратура, методы и технология ультразвукового контроля
- •10. Акустико-эмиссионный метод
- •10.1. Источники акустической эмиссии
- •10.2. Виды сигналов аэ
- •10.3. Оценка результатов аэ контроля
- •10.4. Аппаратура аэ контроля
- •10.5. Порядок проведения и область применения аэ контроля
- •11. Деградационные процессы оборудования и материалов
- •11.1. Деградационные процессы, виды предельных состояний
- •11.2. Характеристики деградационных процессов
- •11.3. Виды охрупчивания сталей и их причины
- •11.4. Контроль состава и структуры конструкционных материалов
- •11.5. Оценка механических свойств материалов
- •11.6. Способы отбора проб металла и получения информации о его свойствах
- •12. Оценка остаточного ресурса оборудования
- •12.1. Методология оценки остаточного ресурса
- •12.2. Оценка ресурса при поверхностном разрушении
- •12.3. Прогнозирование ресурса при язвенной коррозии
- •12.4. Прогнозирование ресурса по трещиностойкости и критерию «течь перед разрушением»
- •12.5. Оценка ресурса по коэрцитивной силе
- •12.6. Оценка ресурса по состоянию изоляции
- •13. Особенности диагностирования типового технологического оборудования
- •13.1. Диагностирование буровых установок
- •13.2. Диагностирование линейной части стальных газонефтепроводов и арматуры
- •13.3. Диагностирование сосудов и аппаратов, работающих под давлением
- •13.4. Диагностирование установок для ремонта скважин
- •13.5. Диагностирование вертикальных цилиндрических резервуаров для нефтепродуктов
- •13.6. Диагностирование насосно-компрессорного оборудования
- •Список литературы
- •Оглавление
11.5. Оценка механических свойств материалов
Способность материала сопротивляться воздействию на него различных нагрузок (статических, динамических, знакопеременных и др.) оценивается совокупностью механических свойств. Эти свойства определяются в результате соответствующих испытаний материала или специально изготовленных из него образцов по стандартным методикам. Чаще всего проводят статические испытания на растяжение, сжатие, изгиб, твердость и динамические на ударную вязкость и Усталость при переменных нагрузках.
Широко распространенным (обязательным) методом контроля механических свойств при диагностировании технического состояния металлоконструкций различного оборудования является контроль твердости материалов. Под твердостью понимают способность Металла сопротивляться вдавливанию в него другого, более твердого тела (индентора) различной формы: шарика, конуса, пирамиды. В зависимости от формы индентора, конструкции прибора и особенностей методики измерения используют различные методы: Бринелля, Роквелла, Виккерса, Шора, Польди, Лейба и др, Значения твердости, полученной различными методами, связаны функциональными зависимостями и пересчитываются обычно с помощью переводных таблиц.
Наибольшее распространение получил метод Бринелля. Твердость измеряют на приборе Бринелля вдавливанием стального закаленного шарика. Единицу твердости обозначают индексом НВ и выражают значением нагрузки Р, приходящейся на 1 мм3 поверхности сферического отпечатка Fсф образующегося на испытуемом материале: НВ = Р/Fсф- Так как измерение твердости по методу Бринелля основано на сопротивлении в месте контакта значительной пластической деформации, то между числом твердости НВ и временным сопротивлением ба для пластичных материалов существует зависимость (ориентировочная в первом приближении) бв = к х НВ (для стали к = 0,36).
Методом Бринелля с использованием стального закаленного шарика контролируют твердость сравнительно мягких материалов (до 450 НВ). В качестве индентора при контроле твердых материалов используют алмазные конусы или четырехгранные пирамидки.
При проведении технической диагностики в полевых условиях применяют переносные приборы, измеряющие твердость по методу отскока или резонансно-импедансным методом. В приборах с использованием резонансно-импедансного метода алмазная пирамидка закрепляется на конце металлического стержня, который под действием пьезоэлектрической пластинки колеблется с собственной резонансной частотой. По мере внедрения пирамидки в контролируемый материал частота собственных колебаний стержня изменяется. Изменение частоты пересчитывается по корреляционным зависимостям в твердость по Виккерсу, Роквеллу или Бринеллю. Принцип измерения твердости по отскоку заключается в измерении разности скоростей падения и отскока стального шарика от поверхности, зависящей от твердости материала.
Большое влияние на точность измерений при использовании переносных приборов оказывают толщина стенок контролируемой конструкции и место расположения точки контроля по отношению к примыкающим опорным элементам. Поэтому для повышения точности при контроле тонкостенных конструкций применяют поправки. Так, фактическая твердость Lф (по Лейбу) материала трубопровода рассчитывается по формуле (РД 12-421-01)
Если , то LФ=L0, где L0 – среднее арифметическое значение твердости (при числе замеров не менее трех), замеренное непосредственно на трубопроводе; D –наружный диаметр трубопровода, мм; S – толщина стенки трубы, мм.
Временное сопротивление и предел текучести металла по величине твердости (по Лейбу) рассчитывают по формулам:
где k = 0,2 для углеродистых сталей.
Наиболее опасным деградационным процессом является охруп-чивание материала, приводящее к существенному изменению характеристик трещиностойкости и смещению хрупкого разрушения в область положительных температур. Переходу металла в хрупкое состояние способствует наличие концентратора напряжений: резкое изменение формы или сечения элемента конструкции, поверхностные риски, микротрещины и другие дефекты. Особенно это актуально для емкостного оборудования и трубопроводов, имеющих большие линейные размеры, так как в таком оборудовании возможно накопление под нагрузкой огромной упругой энергии, которая, стремясь разрядиться, разрывает конструкцию по дефекту (концентратору напряжений). Разрушение происходит с большой скоростью (одномоментно), при этом на магистральных трубопроводах отмечались разрывы, достигающие 1000 м и более. Поэтому характеристики трещиностойкости определяют на образцах с надрезом или начальной трещиной, или концентратором соответствующей формы в результате динамических или статистических испытаний. Из всех механических свойств наиболее чувствительными к охрупчиванию оказались ударная вязкость и статическая вязкость разрушения.
В современных, основанных на механике разрушения (механике трещин) расчетах остаточного ресурса и сопротивления хрупкому разрушению металлоконструкций используется такая характеристика трещиностойкости (вязкости разрушения), как К1с, К2с — критические коэффициенты интенсивности напряжений (соответственно для условий плоской деформации и плоско-напряженного состояния), при достижении которых разрушение в материале приобретает необратимый лавинообразный характер и происходит его долом. Коэффициенты К1с, К2с определяют по ГОСТ 25.506-85 «Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении». Вместе с тем эти испытания достаточно трудоемки и их проведение не всегда возможно. Большее распространение для оценки трещиностойкости нашли испытания на ударную вязкость, результаты которых можно пересчитать в вязкость разрушения. В некоторых случаях ударную вязкость возможно оценить косвенным неразрушающим способом с помощью магнитно-шумового метода (РД 12-421-01).
Рис. 11.5. Расположение образца относительно опор копра и бойка маятника
Ударную вязкость по ГОСТ 9454-78 определяют в результате динамических испытаний на ударный изгиб специальных образцов на маятниковых копрах при пониженных, комнатных и повышенных температурах. Метод основан на разрушении образца с концентратором посередине одним ударом маятникового копра. Концы образцов располагают на опорах (рис. 11.5).
В результате испытаний определяют полную работу, затраченную на разрушение образца при ударе (работу удара). Под ударной вязкостью понимают отношение работы удара к начальной площади поперечного сечения образца в месте излома. Ударную вязкость, определенную при комнатной температуре, обозначают КС или ан. При этом работу разрушения К определяют как разность энергии маятника в положении до и после удара
где m – масса маятника; g – ускорение свободного падения; - максимальная и минимальная высота подъема маятника копра; S=HB – площадь сечения образца.
ГОСТ 9454—78 предусмотрено 20 типов образцов, отличающихся друг от друга шириной В, высотой Н1 и видом концентратора: U-образного (рис. 11.6, а), V-образного (рис. 11.6, б), с усталостной трещиной T (рис. 11.6, в).
В зависимости от вида концентратора ударную вязкость, определенную при комнатной температуре, обозначают:
-
КCU — образцы (типа Менаже) с концентратором вида U;
-
КСV — образцы (типа Шарли) с концентратором вида V;
-
КСТ — образцы с концентратором вида Т и трещиной.
Для обозначения работы удара и ударной вязкости при пониженных и повышенных температурах вводится цифровой индекс, указывающий температуру испытаний
Рис.11.6. Размеры и виды концентраторов:
а – образец с концентратором вида U; б –концентратор вида V; в – концентратор вида Т
Для оценки склонности стали к хрупкому разрушению проводят серию испытаний по определению ударной вязкости при различных температурах. Важным фактором при этом является состояние поверхности излома: при хрупком разрушении излом имеет кристаллическую блестящую поверхность; при вязком — матово- волокнистую. На основании испытаний наряду с ударной вязкостью определяют процент волокна В в изломе и строят зависимости работы разрушения К или ударной вязкости разрушения (КСU, КСV или КСТ) от температуры испытаний (рис. 11.7).
Общая ударная вязкость, например КСU, и работа разрушения К складывается из двух составляющих:
или
В образцах с концетратом U составляющая KCU, значительна. Вместе с тем охрупчивание материала не влияет на величину KCU3(К3). В связи с этим более правильно оценивать склонность стали к хрупкому разрушениюпо работе, затраченной на распространение трещины Кр. Поэтому в большинстве стран мира испытания на ударную вязкость выполняют на образцах Шарпи с V – образным надрезом. На этих образцах Кз значительно меньше, чем на образцах Менаже с U – образным концентратором.
В последних российских НТД требования к ударной вязкости материалов также стали приводить в KCV. Например, в ПБ 03 – 605 – 03. «Правила устройства вертикальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов» приведены требования KCV в зависимости от температуры и толщины прката. Более точные результаты можно получить при испытании образцов с трещиной (вязкость КСТ).
В ряде технических документов содержатся корреляционные зависимомси, позволяющие пересчитать ударную вязкость в коэффициент интенсивности напряжений К1с. Так, согласнорекомендации стандарта Великобритании BS 7910: 1999, критическое значение коэффициента интенсивности связано с ударной вязкостью на образцах с V – образным надрезом (рис.11.8) эмпирической зависимостью
Рис.11.7. Зависимости содержания волокна в изломе В и ударной вязкости KCV от температуры
Рис.11.8. Зависимость Кс от ударной вязкости KCV для различных толщин металла
где KCV – значение ударной вязкости, полученной на образцах с V – образным надрезом сечением 10 х 10 мм при низшей эксплуатационной температуре для данной конструкции, Дж/см2; t – толщина материала, мм.