2.2.3.4. Контроль прочности

Контроль прочности элементов конструкции и деталей технологических установок обычно связан с контролем таких диагностических параметров, как деформации и напряжения, контролем циклической усталости, не разрушающим контролем материалов.

Методы контроля деформаций и напряжений, как правило, основаны на использовании различных типов тензорезисторов, струнных или индуктивных тензометров. Тензорезисторы применяются для контроля внутренних динамических напряжений и малых деформаций, струнные тензометры – статических деформаций. Диапазон контролируемых относительных деформаций (1,5…50,0) %, напряжений до 150 МПа. Типовая схема измерения деформаций приведена на рис. 2.15.

При измерениях линейно-напряженного состояния деталей тензисторы наклеиваются на контролируемый объект в направлении действия напряжения. При контроле сложного напряженного состояния, когда направления главных напряжений неизвестны, используется розетка тензорезисторов.

Тензорезисторы обычно включаются в мостовую цепь. Для уменьшения температурной погрешности в соседнее плечо моста включается такой же преобразователь, наклеенный на тот же самый материал и помещенный в те же температурные условия, что и рабочий преобразователь. Измерительный мост питается переменным напряжением от генератора несущей частоты. Модулированный сигнал несущей частоты с измерительной диагонали моста подается на вход усилителя, где усиливается, а затем демодулируется фазочувствительным демодулятором и через фильтр поступает на вход регистратора, в качестве которого обычно используются шлейфные осциллографы. Цепи усилителя и генератора несущей частоты питаются от выпрямителя.

Обычно деформации и напряжения контролируются в нескольких точках детали или машины, поэтому приборы для их измерения (тензостанции) выполняются многоканальными и содержат до 24 измерительных каналов, типовая структурная схема одного из которых приведена на рис. 2.15.

Контроль циклической усталости производится с целью обеспечения надежности работы оборудования в течение всего срока службы путем контроля фактической истории нагружения оборудования, его тензометрирования и термометрирования на начальном этапе работы. Используемые системы определяют количество циклов за период, прошедший с начала эксплуатации установки, от общего расчетного числа допустимых циклов нагружения оборудования, что позволяет оценить остаточный ресурс работы.

Неразрушающие методы контроля материалов позволяют распознавать аномалии на стадиях изготовления, эксплуатации и ремонта оборудования. Методы неразрушающего контроля материалов отличаются большим разнообразием и включают в себя магнитную порошковую, электромагнитную, радиационную, ультразвуковую, капилярную дефектоскопию, методы магнитного структурного анализа, акустической эмиссии, визуальный контроль.

При визуальном контроле с помощью эндоскопов на базе волоконной оптики можно осуществлять дистанционный контроль материала оборудования, находящегося как в ремонте, так и в эксплуатации. Этот метод контроля позволяет получать информацию о состоянии материала труднодоступных поверхностей, трубопроводов и т.п.

Одним из перспективных методов является метод акустической эмиссии. Акустическая эмиссия представляет собой явление освобождения энергии вследствие возникновения и распространения пластических деформаций и трещин при деформировании материала. Освобожденная энергия в виде акустических волн распространяется в материале и может быть зарегистрирована пьезодатчиками, размещенными на поверхности контролируемой детали. Информативными параметрами регистрируемого сигнала являются амплитуда, интенсивность, энергия и количество импульсов.

Основное достоинство метода заключается в регистрации развивающихся дефектов, представляющих реальную опасность для работоспособности конструкции. По современным представлениям механики разрушения любой материал, любая конструкция имеют в своей структуре дефекты. Поэтому для сохранения их работоспособности в течение срока эксплуатации необходимо, чтобы время развития этих дефектов до критически опасных размеров было больше ресурса конструкции.

Метод контроля акустической эмиссии позволяет дистанционно в реальном масштабе времени контролировать одновременно всю исследуемую конструкцию без сканирования ее поверхности, поставляя главную информацию о возможности наступления аварийной ситуации.

Широкое применение в целях диагностирования и контроля повреждений получила рентгено и гамма дефектоскопия. Она позволяет определять дефекты в деталях и конструкциях из различных материалов, сварных соединениях, контролировать правильность сборки механизмов, нарушения геометрии, взаимосвязи отдельных деталей и их износ.

О пределение дефектов в материалах с помощью радиационного контроля основывается на разнице поглощения рентгеновских и гамма излучений при прохождении через материалы, отличающиеся различной плотностью и толщиной. Характер изменения интенсивности излучения при прохождении через дефект показан на рис. 2.16.

Рентгеновский метод применяют для контроля металла конструкций и сварных соединений толщиной до 20 мм, гамма метод – больших толщин, а также контроля элементов конструкций, расположенных в труднодоступных местах.

Ультразвуковые методы неразрушающего контроля материалов основаны на законах распространения упругих колебаний и волн в упругих средах. Они делятся на активные, использующие излучение и прием акустических волн, и пассивные методы, основанные только на приеме акустических волн. Ультразвуковые методы достаточно хорошо разработаны и с успехом применяются в различных отраслях машиностроения.

Магнитная порошковая дефектоскопия главным образом используется при контроле готовой продукции, но может быть использована и как профилактический метод обнаружения усталостных трещин в деталях машин без их разборки.

Метод основан на выявлении магнитного поля рассеяния над дефектом ферромагнитными частицами, играющими роль индикаторов. В намагниченном изделии магнитные силовые линии, встречая дефект, огибают его как препятствие с малой магнитной проницаемостью и образуют над ним магнитное поле рассеяния (рис. 2.17).

Э лектромагнитные методы дефектоскопии делятся на феррозондовые и индуктивные. Физическая сущность феррозондовых методов также состоит в создании магнитного поля и обнаружении его аномалии в области дефекта. Отличие заключается в использовании для обнаружения дефекта пары дифференциально соединенных миниатюрных феррозондов.

Индуктивные методы используют влияние дефектов на вихревые потоки, возбуждаемые в исследуемом участке металла с помощью катушки, питаемой током высокой частоты.

Область применения индуктивных методов та же, что и у метода магнитной порошковой дефектоскопии.

Магнитный структурный анализ основан на связи между структурой металла и его магнитными свойствами. Он включает в себя три группы методов: методы, в которых используется магнитное поле рассеяния намагниченной детали; методы, основанные на использовании остаточной намагниченности и методы, при которых используется индуктивное действие переменных магнитных полей. Последние могут использоваться для диагностики как ферромагнитных, так и неферромагнитных материалов.

Образование трещин при изготовлении и эксплуатации деталей и технологических установок и оборудования происходит в большинстве случаев в поверхностных слоях материала. Размеры начальных трещин так малы, что выявление их невооруженным глазом невозможно, а применение оптических инструментов не позволяет выявить из-за недостаточной контрастности изображения и малого поля зрения при больших увеличениях. Неферромагнитные свойства многих конструкционных материалов не позволяют использовать магнитные методы, а сложность формы деталей и особенности состояния поверхности – акустические и электроиндуктивные методы. В этих случаях используются капилярные методы дефектоскопии, основанные на искусственном повышении контрастности дефектного и неповрежденного участков путем нанесения на них специальных составов и изменения таким образом светоотдачи дефектных участков. В качестве контрастных составов используют свето и цветоконтрастные индикаторные вещества, представляющие собой жидкие органические люминофоры и красители. Для усиления проявления дефектов применяются проявители, обладающие сорбционными свойствами. В зависимости от применяемых индикаторов капиллярная дефектоскопия делится на люминесцентную и цветовую.

Периодический и непрерывный контроль материала опасной технологической установки представляет собой комплексную проблему и часто требует применения нескольких методов, выбор которых определяется типом материала, доступностью контролируемых поверхностей, возможностью автоматизации способов сканирования в зоне контроля и другими обстоятельствами.