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 Hр вдоль растянутой и сжатой сторон вертикальной трубы ⌀25х3мм, зажатой между двумя горизонтальными трубами ⌀42х4мм трубы. Трубы изготовлены из стали 3. Видимый изгиб участка трубы ⌀25х3мм произошел при нагреве трубной системы отопления горячей водой от комнатной температуры ~20°С до 50÷55°С. Без выполнения специальных расчетов уровня изгибных напряжений сделаем качественную и количественную оценку НДС данного участка трубы по характеру распределения поля Hр.

Величина поля Hр 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 Hр со сменой знака в зонах изменения знака деформации трубы (см. узел А на рис.1). При этом положение линии Hр=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 Hр в зонах развивающихся повреждений металла. Именно этот диагностический параметр (линия Hр=0) был положен в основу практических методик контроля оборудования с использованием магнитной памяти металла. В работах [1,2] было показано, что линии Hр=0, фиксируемые на поверхности трубы, соответствуют плоскостям скольжения дислокаций по сечению трубы. Прямое экспериментальное подтверждение совпадения линии Hр=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 Hр (dHр/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 ~45°, а при напряжениях сжатия той же величины 12кг/мм² этот угол равен ~70°. Простые расчеты углов плоскостей скольжения по результатам измерений поля Hр, представленным на рис.1, показывают следующее. Угол между линией Hр=0 и осью трубы со стороны напряжений растяжения равен:

где с - длина линии скольжения (Hр=0).

Угол между линией Hр=0 и осью трубы со стороны напряжения сжатия равен (90°-26,5°)=63,5°. Таким образом, простым геометрическим расчетом углов расположения линий Hр=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. 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 (dHр/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.

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 Hр) 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 Hр (dHр/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.