12.5. Оценка ресурса по коэрцитивной силе

Согласно представлениям энергетической теории прочности, каждый материал характеризуется своим значением удельной энер­гии разрушения. При этом считается, что удельная энергия разру­шения не зависит от способа подвода энергии. Для оценки остаточного ресурса необходимо знать две величины: предельное зна­чение энергии разрушения для данного материала и текущее значение поглощенной энергии. Одним из таких методов, позво­ляющих оценить величину поглощенной энергии, является метод оценки по величине коэрцитивной силы, относящийся к магнитному виду неразрушающего контроля. Установлено, что для ряда конст­рукционных сталей, относящихся к классу разупрочняемых, с уве­личением энергии, затраченной на накопление дефектов и повреж­дений, одновременно растет и коэрцитивная сила, являющаяся энергетической характеристикой. Работы последних лет в области магнитного контроля напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса металлоконструкций различных объектов по­зволили установить тесную корреляционную связь (коэффициент корреляции > 0,9) зависимости изменения коэрцитивной силы Н_с с механическими свойствами конструкционных сталей (углероди­стых СтЗ, Ст20, Ст65, малолегированных 09Г2С, 10ХСНД, 17ПС и др.), с нагруженностью конструкций и накоплением ими повреж­дений*. Это объясняется единством природы намагничивания ме­талла, упругопластической деформации, накопления повреждений и роста коэрцитивной силы.

Установлено, что запас энергии, затрачиваемой на накопление повреждений и разрушений, и соответствующая величина коэрци­тивной силы Н_с примерно одинаковы для исследованных марок конструкционных сталей как при статическом, так и при перемен­ном, циклическом (усталостном) нагружении. Этот факт является экспериментальным подтверждением энергетической теории разру­шения, позволяющей определить базовые параметры для контроля за состоянием металла магнитным методом по величине коэрцитив­ной силы. В зависимости от состояния стали различают:

Н⁰_c - исходное значение коэрцитивной силы; в отожженном со­стоянии Н⁰_с - минимальное для каждой марки стали;

Н_с^т - значение силы, соответствующее уровню внутренних на­пряжений, равных пределу текучести стали б_т;

Н_с^в - значение силы, соответствующее достижению предела ста­тической прочности стали с_в;

H_с^уст - значение силы, соответствующее достижению предела

усталостной прочности.

Величины коэрцитивной силы для некоторых марок сталей в различных состояниях приведены в табл. 12.1. Порядок измере­ния коэрцитивной силы и соответствующая аппаратура рассмотре­ны в 7.7.

Таблица 12.1

Марка стали	Коэрцитивная сила, А/см
	Hc0	HcT	HcВ	Hcуст
Ст3	2,0	5,3	6,0	5,8
09Г2С	4,0	7,8	9,5	9,5
10ХСНД	5,0	11,5	14,5	13,5
20	4,5	10,5	13,5	13,0
ДС	5,0…6,0	8,0…8,5	10,0…11,0	9,5…10,5

В первом приближении остаточный ресурс может быть оценен отношением Н_с/Н^в_с. При приближении этого отношения к единице остаточный ресурс уменьшается до нуля. Более точно оценить ос­таточный ресурс можно по номограммам для соответствующей марки стали, приведенным в РД ИКЦ «КРАН» 009-99 «Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса сосудов, работающих под давлением, при проведении экс­пертизы промышленной безопасности». Так, на рис. 12.4 приведе­ны номограммы для контроля малоцикловой усталости и остаточ­ного ресурса конструкций из сталей ВСтЗсп5, 09Г2С, ДС. По вер­тикали номограмм откладывается число циклов нагружений N, по горизонтали — максимальное значение коэрцитивной силы метал­ла контролируемого объекта H_с^mах, А/см. В качестве примера оце­ним остаточный ресурс сосудов-воздухосборников I и II, результа­ты контроля которых приведены на рис. 7.14. В соответствии с но­мограммой для стали ВСтЗсп5 (см. рис. 12.4) воздухосборник II, максимальное значение коэрцитивной силы в котором составляет Н_с^тах = 5,6 А/см, находится в критическом режиме и его эксплуатация должна быть прекращена. Воздухосборник I с Н_с^mах = 3,5 А/см может работать и далее без ограничений по рабочим параметрам и остаточному ресурсу.

При наличии ретроспективных данных о величине коэрцитив­ной силы и соответствующей наработке чисел циклов нагружений между измерениями остаточный ресурс рассчитывается аналитиче­ски по следующей методике.

Рис. 12.4. Номограммы для контроля остаточного ресурса сосудов под давлением по величине коэрцитивной силы

Зависимость, связывающая текущее значение коэрцитивной силы Н_с с ее исходным значением Н_c° и соответствующим числом циклов нагружений N, аппроксимируется уравнением

где b - коэффициент, определяющий скорость роста Н_с. Выразив из последнего выражения N, получим

_{где С1 и С2 – постоянные, определяемые из решения системы трех уравнений с тремя неизвестными (N0, С1 и С2), получаемые после подстановки результатов трех измерений коэрцитивной силы Hci c интервалами ΔN2 и ΔN3; (N0, Hc1), (N0+ ΔN2, Hc2),(N0+ ΔN3, Hc3); N0 – число циклов нагружений, соответствующее первому измерению коэрцитивной силы Hc1.}

_{Предельно допустимое число циклов нагружений получают из уравнения:}

Остаточный ресурс в числах циклов нагружения определют из выражения

• См.: Попов Б.Е. и др. Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса сосудов, работающих под давлением // Безопасность труда в промышленности. — М., 2001. — № 3. — С.

Результаты измерения коэрцитивной силы могут быть использо­ваны также для проверки соответствия фактического напряженного состояния допускаемым напряжениям по условию прочности или устойчивости, установленным соответствующими нормативными до­кументами. Проверку выполняют по условию

где Н_с^кр — критическая величина коэрцитивной силы, соответствую­щая допускаемому напряжению и определяемая по номограмме (см. рис. 7.11).