Розроблення методу та засобу визначення фізико-механічних характеристик матеріалу металоконструкцій довготривалої експлуатації

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет „Львівська політехніка”

РОЗРОБЛЕННЯ МЕТОДУ ТА ЗАСОБУ ВИЗНАЧЕННЯ ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРІАЛУ МЕТАЛОКОНСТРУКЦІЙ ДОВГОТРИВАЛОЇ ЕКСПЛУАТАЦІЇ

Спеціальність 05.11.13 - Прилади і методи контролю та визначення складу речовин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Карпаш Максим Олегович

УДК 620.179

Львів - 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі „Методи та прилади контролю якості і сертифікації продукції” в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Кісіль Ігор Степанович

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, завідувач кафедри „Методи та прилади контролю якості і сертифікації продукції”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Яцун Михайло Андрійович

Національний університет „Львівська політехніка”,

професор кафедри електричних машин і апаратів

доктор фізико-математичних наук, професор

Снарський Андрій Олександрович

Національний технічний університет України „КПІ”,

професор кафедри загальної та теоретичної фізики

Провідна установа: Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться __4_ липня 2006 р. о _14_ год. на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 35.052.04

при Національному університеті „Львівська політехніка” за адресою:

79013, Львів-13, вул. С.Бандери, 12, ауд.51 Х-го учбового корпусу

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету „Львівська політехніка” (79013, м.Львів-13, вул.Професорська, 1)

Автореферат розісланий ____ червня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент Вашкурак Ю.З.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Аналіз причин виникнення аварій і надзвичайних ситуацій техногенного характеру за останні роки показав, що майже у половині випадків (48 %) вони мають технічний характер (незадовільний стан споруд, конструкцій, обладнання та інженерних мереж, їх значна зношеність унаслідок важких умов експлуатації, закінчення нормативного терміну експлуатації та інше). За оцінкою спеціалістів, відпрацювання нормативного ресурсу зазначених об'єктів у базових галузях економіки складає до 70 % і має тенденцію до зростання.

У зв'язку з таким становищем, особливої актуальності набуває питання управління експлуатаційним терміном надійного та безпечного використання зазначених об'єктів шляхом періодичної оцінки їх фактичного технічного стану та прогнозування залишкового ресурсу. Задовільний технічний стан металоконструкцій, як правило, характеризують відсутністю дефектів типу порушення суцільності матеріалу та відповідністю геометричних і фізико-механічних характеристик (ФМХ) їх нормованим значенням. У різних галузях промисловості знайшли широке застосування різні методи та засоби дефектоскопії та товщинометрії. Визначення ФМХ, на даний час, зводиться тільки до вимірювання твердості і, в окремих випадках, коерцитивної сили, що робить завдання оцінки фактичних значень таких ФМХ, як межа текучості, межа міцності та інших проблематичним. Окрім того, визначення фактичних значень ФМХ необхідне для проведення розрахунків залишкового ресурсу металоконструкцій.

Таким чином, питання розроблення нових методів та засобів визначення ФМХ матеріалу металоконструкцій неруйнівними методами є актуальним і набуває особливо важливого значення як інструмент, який сприятиме створенню банку даних про фізико-механічні властивості конструкційних матеріалів та їх деградацію під час тривалої експлуатації (завдання Державної науково-технічної програми „Ресурс”).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у рамках із Державною науково-технічною програмою „Ресурс” (затверджено постановою КМУ від 8.10.2004, № 1331) та галузевою науково-технічною програмою НАК “Нафтогаз України” на 2002 - 2007 рр. "Створення, освоєння випуску та впровадження у виробництво комплексу технічних засобів і технологій неруйнівного контролю та технічної діагностики трубних колон, бурового та нафтогазопромислового обладнання й інструменту в процесі розроблення нафтогазових родовищ. Організаційне, технічне, методичне та кадрове забезпечення" згідно з науково-дослідними роботами „Розробка нових технологій подовження ресурсу та підвищення ефективності роботи нафтогазового обладнання” (№ держреєстрації 0104U004086, наказ МОНУ від 07.11.2003р, №746) і „Розроблення, виготовлення та впровадження приладу для контролю структури сталей та визначення їх фізико-механічних характеристик” (угода №55НДР/2004 НВФ “Зонд” із ДК „Укртрансгаз”). Ці роботи виконувались за безпосередньою участю автора.

Мета роботи полягає у розробленні нових методів та технічного засобу контролю фізико-механічних характеристик матеріалу металоконструкцій довготривалої експлуатації.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

проаналізувати сучасні існуючі неруйнівні методи визначення фізико-механічних характеристик сталей та стан їх реалізації в технічних засобах;

розробити нові методи визначення фізико-механічних характеристик сталей за умов недостатньої кількості експериментальних даних та виділити інформативні параметри їх визначення;

встановити наявність та характер взаємозв'язків між досліджуваними інформативними параметрами та фактичними ФМХ матеріалів конкретних металоконструкцій;

розробити, виготовити та здійснити дослідну перевірку експериментального зразка інформаційно-вимірювальної системи для контролю фізико-механічних характеристик сталей та методики його застосування в практиці.

Об'єктом дослідження є матеріал металоконструкцій довготривалої експлуатації, що використовуються в нафтогазовій галузі.

Предметом дослідження є методи та засоби неруйнівного визначення фізико-механічних характеристик матеріалу металоконструкцій тривалої експлуатації.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених в роботі задач використовувались методи неруйнівного контролю, математичного моделювання, кореляційного аналізу та сучасні методи статистичного оброблення експериментальних та довідкових даних (штучні нейронні мережі). У ході виконання експериментальних досліджень використовувались методи планування експерименту, теорії імовірності. Розроблення технічного засобу здійснювалось з використанням методів схемо- та системотехніки. Для розроблення програмного забезпечення мікропроцесорної системи технічного засобу використовувались методи алгоритмізації та програмування.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

- вперше використано як первинний параметр для визначення міцнісних характеристик сталей регламентовану в нормативних документах теплопровідність, що дало змогу розробити новий метод контролю фізико-механічних характеристик і створило передумови для дослідження структурного стану сталей металоконструкцій довготривалої експлуатації та визначення інших механічних характеристик матеріалів;

- вперше запропоновано та досліджено відповідний інформативний параметр, який характеризує теплопровідність, відповідає її фізичній суті і залежить від дійсних значень коефіцієнта теплопровідності;

- вперше встановлено наявність та характер залежності між вказаним інформативним параметром та фактичними значеннями межі текучості матеріалу металоконструкцій;

- удосконалено метод визначення фізико-механічних характеристик сталей, який полягає у комплексному врахуванні кількох структурно чутливих параметрів, зокрема - твердості та теплопровідності, що дало змогу підвищити точність визначення ФМХ;

- знайшли подальший розвиток технології штучних нейронних мереж, що дало змогу встановити аналітичні залежності між вимірюваними параметрами та досліджуваними механічними, а також запропоновано методику представлення цих залежностей в графічному вигляді (дво- та тривимірні побудови).

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробленні технічного засобу для визначення основних фізико-механічних характеристик матеріалу металоконструкцій (пройшов успішну промислову апробацію на виробничих об'єктах ДК „Укртрансгаз”), а також проекту методики його застосування при розрахунках на міцність і залишковий ресурс деталей, металоконструкцій довготривалої експлуатації в нафтогазовій галузі. Розроблений метод, завдяки використанню нових первинних параметрів та їх комплексного врахування, є корисним інструментом для збору даних про більш точні значення фактичних фізико-механічних характеристик матеріалу металоконструкцій тривалої експлуатації різного призначення.

Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати дисертаційної роботи одержані автором самостійно. Зокрема, особисто автором:

- запропоновано новий підхід до визначення фізико-механічних характеристик, який передбачає врахування кількох структурно чутливих параметрів [1] та здійснено вибір оптимального комплексу структурно чутливих параметрів шляхом комп'ютерного моделювання за допомогою алгоритмів нейронних мереж [2,11], а також розроблено новий метод [9] визначення ФМХ і запропоновано шляхи його технічної реалізації у вигляді інформаційно-вимірювальної системи (ІВС) [3];

- розроблено методику та проведено комплекс експериментальних досліджень з виділення інформативного параметра, який характеризує теплопровідність [6], а також методику перевірки запропонованого методу контролю за прикладі насосно-компресорних труб нафтового сортаменту та зразків труб магістральних газопроводів [4,8,12];

- розроблено структурні та функціональні схеми експериментального зразка ІВС для визначення фізико-механічних характеристик сталей, а також розроблено алгоритм його роботи [5,10];

виконано метрологічну оцінку результатів вимірювань ІВС [7].

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на наукових семінарах кафедри „Методи та прилади контролю якості і сертифікації продукції” Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу (ІФНТУНГ) у 2004-2006р.р., на міжнародних конференціях „Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів „Леотест-2004” та „Леотест-2006” (м.Славське, Львівської області), на 8-ій Українській конференції-виставці „Неруйнівний контроль 2005” (м.Київ), 3-ій науково-практичній конференції „Організація неруйнівного контролю якості продукції в промисловості” (м.Аланія, Турція, 2005 р.), на XVII Російській науково-технічній конференції із міжнародною участю „Неразрушающий контроль и диагностика” (м.Єкатиринбург, Росія, 2005 р.) та на 4-ій науково-технічній конференції і виставці „Сучасні прилади, матеріали і технології для неруйнівного контролю і технічної діагностики промислового обладнання” (м. Івано-Франківськ, 2005р.) та 5-ій національній науково-технічній конференції і виставці „Неруйнівний контроль та технічна діагностика” (м.Київ, 2006 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 12 друкованих праць, з них 8 - статті у фахових наукових виданнях, затверджених ВАК України, в тому числі 1 - одноособова, 1 - патент України на винахід, 4 - тези доповідей на конференціях.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Дисертація викладена на 125 сторінках. Крім того робота проілюстрована 40 рисунками, включає 13 таблиць, список використаних джерел із 112 найменувань та 5 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дано загальну характеристику дисертаційної роботи. Розкрито суть та стан науково-технічної проблеми визначення фізико-механічних характеристик матеріалу металоконструкцій тривалої експлуатації. Обґрунтовано актуальність теми, на підставі чого сформульовані мета та основні задачі дослідження. Висвітлено наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, подано відомості про особистий внесок здобувача та апробацію роботи.

У першому розділі проведено аналіз сортаменту та типів сталей, що використовуються у вітчизняній нафтогазовій галузі для спорудження металоконструкцій довготривалої експлуатації, а також умов їх експлуатації, основних причин та видів відмов і пошкоджень.

Проаналізовано методи та засоби неруйнівного визначення основних фізико-механічних характеристик сталей. Дослідження щодо визначення фізико-механічних характеристик сталей неруйнівними методами проводили багато зарубіжних та вітчизняних вчених - Міхеєв М.Н., Горкунов Э.С., Шарко А.В., Дробот Ю.Б., Дорофеев А.Л., Химченко Н.В., Яцун М.А., Тетерко А.Я., Безлюдько Г.Я., Молодецький І.А., Учанін В.М., Кісіль І.С., Денель А.К., Kroning M., Z. Guo, W. Sha, M. Balazinski, M. E. Haque, J. W. Byeon, J. Kusiak, R. Kuziak та інші. Однак, їх увага зосереджувалась, в основному, на розробленні та технічній реалізації ультразвукових, магнітних і електромагнітних методів контролю, які характеризуються низкою недоліків щодо їх теоретичного підґрунтя, обмежень у застосуванні.

Аналіз відомих методів та засобів контролю показав, що існує загалом чотири методи неруйнівного контролю фізичних та механічних характеристик матеріалів металоконструкцій, які не мають достатньої теоретичної бази, яка б дала змогу аналітично встановити кількісні зв'язки параметрів контролю з потрібними фізичними чи механічними характеристиками. Практично всі залежності, що використовуються для контролю часто дійсні тільки для однієї марки або типу матеріалу. Технічна реалізація деяких методів часто постає важкою проблемою через підвищені вимоги до точності або через потребу у дотриманні специфічних умов проведення відповідних вимірювань. Доведено необхідність розроблення нових підходів, методів та технічних засобів визначення ФМХ. Сформульовано завдання, що потребують вирішення та обрано напрямки подальших досліджень.

Другий розділ присвячений теоретичним дослідженням щодо нових підходів та методів визначення фізико-механічних характеристик сталей.

На першому етапі досліджень було виконано аналіз основних фізико-механічних характеристик конструкційних сталей, які наводяться в нормативній документації, на предмет виявлення взаємозв'язків між ними за допомогою графоаналітичного, кореляційного та статистичного методів. Зокрема, досліджувались наявність та характер взаємозв'язку між основними фізичними параметрами (твердості, густини, теплопровідності, коефіцієнту теплового розширення, теплоємності і питомого електричного опору) та механічними характеристиками (межею текучості), що слугує одним із основних параметрів, який характеризує технічний стан металоконструкцій тривалої експлуатації та використовується в розрахунках технічного (у т.ч. залишкового) ресурсу.

Графоаналітичні дослідження показали, що найбільш виражену залежність від межі текучості мають такі параметри, як твердість, питомий електричний опір, теплопровідність та коефіцієнт теплового розширення.

Результати кореляційного аналізу підтвердили вищевказане і тим самим надали змогу остаточно виключити з переліку досліджуваних такі параметри, як густина і теплоємність.

Статистичний аналіз виконаний із застосуванням штучних нейронних мереж (табл.1) дав змогу підтвердити результати графоаналітичних та кореляційних досліджень: для досягнення найменшої похибки визначення межі текучості доцільно враховувати комплекс параметрів: твердість, теплопровідність та питомий електричний опір. Було виконано тренування 11 нейронних мереж для всіх можливих комбінацій вхідних параметрів. Умови тренування були однакові для всіх мереж. Тестування отриманих нейронних мереж було виконано для перевірки правильності визначення ними межі текучості за умови подачі на їх входи значень відповідних параметрів для двох сталей, що не використовувались під час тренування, а отже були невідомими для мереж. Результати тестування мереж, натренованих на апроксимацію межі текучості як функції різних комбінацій вхідних параметрів наведено в таблиці 1. Дійсні значення межі текучості для тестових сталей становлять відповідно 655 МПа та 515 МПа.

Таблиця 1.

Результати тестування натренованих нейронних мереж

Кількість вхідних параметрів	Вхідні параметри	Результат тестування, МПа	Середня похибка, МПа
2	Твердість Теплопровідність	(645.4; 554.7)	27	5.4%
	Твердість Коеф. тепл. розширення	(631.9; 520.8)	16.3	3.3%
	Твердість Питомий ел. опір	(625.7; 532.2)	37.2	7.4%
	Теплопровідність Коеф. тепл. розширення	(631.2; 524)	39	7.8%
	Теплопровідність Питомий ел. опір	(654.3; 534.3)	18.9	3.8%
	Коеф. тепл. розширення Питомий ел. опір	(669.7;559.2)	23	4.6%
3	Твердість Теплопровідність Коеф. тепл. розширення	(657.6; 533.8)	32.1	6.4%
	Твердість Теплопровідність Питомий ел. опір	(673.7; 512.8)	9.1	1.8%
	Теплопровідність Коеф. тепл. розширення Питомий ел. опір	(649.1; 549)	23	4.6%
	Твердість Коеф. тепл. розширення Питомий ел. опір	(656; 489.2)	15.4	3.1%
4	Твердість Теплопровідність Коеф. тепл. розширення Питомий ел. опір	(653.4; 513.3)	21	4.2%

Аналіз можливостей щодо вимірювання обраних параметрів показав, що твердість можливо вимірювати з допомогою серійних динамічних твердомірів типу ТДМ-1. Вимірювання питомого електричного опору сталей, які є феромагнітними матеріалами, із необхідною точністю (10 нОм*м) є важкою технічною задачею. Тому на даному етапі довелось відмовитись від вимірювання цього параметра. Тим більше, що для більшості металів та їх сплавів питомий електричний опір пов'язаний певним співвідношенням із теплопровідністю згідно закону Відемана-Франца.

Щодо вимірювання теплопровідності - то перш за все необхідно виконати математичне моделювання, яке б підтвердило таку можливість.

Для цього було побудовано математичну модель процесу вимірювань, яка відповідає процесу поширення тепла в однорідному стержні. Перш за все необхідно було за відомими значеннями теплофізичних параметрів сталей розрахувати розподіл температури по поверхні об'єкта контролю, для чого було розв'язано одномірну задачу теплопровідності:

, (1)

де u(x,t) - залежність температури від лінійної координати x та часу t, u0 - початкова температура, Q - густина теплового потоку, яке створюється джерелом тепла, d - відстань від джерела тепла до останньої точки вимірювань, л - коефіцієнт теплопровідності, с - густина, c - теплоємність. Запропоновано розв'язок рівняння (1) в матричній формі для знаходження коефіцієнта теплопровідності k, який полягає у поданні експоненти в правій частині рівняння рядом Тейлора. Застосування такого підходу до результатів прямого математичного моделювання теплового поля за умови, що температура вимірювалась шістьма перетворювачами, розташованими в лінію на відстані 10 мм між собою, дало змогу розраховувати коефіцієнт теплопровідності із похибкою 0.001 Вт/(м•єC).

Проте, під час вимірювання теплопровідності в реальних польових чи лабораторних умовах, внаслідок різних причин (нелінійність характеристик термодавачів, неідеальність джерела тепла, залежність значення теплопровідності від товщини об'єктів контролю, різна конфігурація об'єктів контролю, необхідність значних обчислювальних потужностей для реалізації запропонованого алгоритму зворотного розв'язання задачі) не вдається досягти адекватності побудованої математичної фізичній моделі процесу вимірювань.

Тому для визначення теплопровідності було вирішено запропонувати і використовувати інформативний параметр М (рис.1), який характеризував би кількість тепла, що пройшла за одиницю часу через певний переріз об'єкта контролю, що є по суті визначенням теплопровідності з певною межею допуску та залежав від дійсних значень коефіцієнта теплопровідності. Для врахування товщини (перерізу) об'єкта контролю необхідно провести експериментальні дослідження. На рис.1 побудовані криві відповідають шести координатам (x0=0 см, х1=1 см, .. х5=5 см) на поверхні об'єкта контролю.

Щодо кількості тепла, що пройшла за одиницю часу, було вибрано наступне. Як інформативний параметр М, запропоновано взяти площу побудови ABCD (рис.1), яка є різницею площ прямокутних трапецій EBCF та EADF. Відрізок часу EF рівний 60 секундам. Таким чином, заштрихована площа на рисунку характеризує кількість тепла, що пройшла за визначений відрізок часу, а отже на даному етапі задовольняє одній з раніше встановлених вимог.

Рис.1. Побудова інформативного параметра М, який характеризує теплопровідність

Формула розрахунку інформативного параметра M (рис.1) наступна:

, (2)

де значення EF=1, оскільки воно однакове для трапецій EBCF та EADF.

Перевірку відповідності фізичній суті перевіримо шляхом співставлення одиниць вимірювань. Коефіцієнт теплопровідності л - [Вт/(м?°С)]=[Дж/(с•м?°С)]. Інформативний параметр М - [с?°С]. Отже, між теплопровідністю та інформативним параметром залишається коефіцієнт із розмірністю [Дж/м]. Кількість енергії, що передається джерелом в об'єкт [Дж] - згідно прийнятих спрощень завжди стала і може не враховуватись, а щодо товщини об'єкта [м], то, як вже було зазначено раніше, необхідно буде виконати дослідження щодо її врахування.

Модельні дослідження дали змогу встановити, що запропонований інформативний параметр М корелює з реальним значенням теплопровідності л, і такий зв'язок може бути описаний такою апроксимаційною функцією:

, (3)

де значення коефіцієнтів є такими: a = 135.7 Вт/(м?°С), b = -0.09126 (с?°С)-1, c = 29.97 Вт/(м?°С), k = -0.02389 (с?°С)-1. Середня квадратична похибка апроксимації становить 0.07136 Вт/(м?°С).

Також було виконано дослідження, які показали, що збільшення відрізку EF не призводять то подальшого зростання коефіцієнта кореляції інформативного параметру із коефіцієнтом теплопровідності. Для випадку EF=60 с коефіцієнт кореляції був рівний -0.92, для EF=100 с - -0.84 та для EF=40 с - -0.78 .

Отже, в другому розділі дисертації запропоновано новий метод визначення фізико-механічних характеристик, який полягає в урахуванні кількох інформативних параметрів контролю (твердість, теплопровідність та питомий електричний опір) з допомогою нейронних мереж. Проаналізовано можливості вимірювання обраних параметрів. Виконане математичне моделювання вимірювання коефіцієнта теплопровідності, а також запропоновано інформативний параметр, який його характеризує і залежить від його дійсних значень.

В третьому розділі викладені методика та результати експериментальних досліджень щодо: встановлення залежності вибраного інформативного параметра від товщини об'єктів контролю; порівняльних випробувань відомих та пропонованого методів визначення фізико-механічних характеристик на протестованих зразках насосно-компресорних труб різних груп міцності; метрологічної оцінки пропонованого методу визначення механічних характеристик.

Було розроблено експериментальну установку (рис.2) для вимірювання інформативного параметра М, який характеризує теплопровідність.

Рис. 2. Загальний вигляд експериментальної установки:

1 - персональний комп'ютер; 2 - мікропроцесорний блок; 3 - термостабілізований підсилювач; 4 - „лінійка” перетворювачів; 5 - блок живлення; 6, 7 - мультиметри; 8 - об'єкт контролю

До складу установки входить також блок нагрівача, побудований на базі інфрачервоного керамічного нагрівача потужністю 1000 Вт. Як чутливі елементи, були використані термоелектричні перетворювачі виробництва НВП „Мікросенсор”. В експериментальній установці було використано шість перетворювачів, розташованих у лінію на відстані 10 мм, що відповідало умовам моделювання. Схема взаємного розташування лінійки перетворювачів та нагрівача на поверхні об'єкта контролю показані на рис.3.

Рис.3. Схема взаємного розміщення блока нагрівача та блока термодавачів на поверхні об'єкта контролю

Для встановлення залежності інформативного параметра М від товщини об'єкта контролю було відібрано три зразки з марки сталі 17ГС (згідно ГОСТ 19282-73) з різною товщиною (11.8, 18.6 та 23.5 мм). За однакових умов виконано 10-кратні вимірювання параметра М. Була встановлена залежність інформативного параметра М від товщини зразків h, яка може бути апроксимована функцією (рис.4):

М(h) = a•h+b, (4)

де a = -15.2 (с?°С)/м, b = 727 с?°С.

Рис.4. Залежність інформативного параметра від товщини об'єкта контролю

Метою подальших досліджень стало встановлення залежності між межею текучості та інформативним параметром для експериментальної перевірки розробленого методу контролю фізико-механічних характеристик.

Методика проведення експериментальних досліджень полягала в наступному. Відібрано набір зразків із 13 зразків насосно-компресорних труб із попередньо визначеними в заводських лабораторіях фізико-механічними характеристиками згідно з ГОСТ 10006-80. Діапазон вказаних значень межі текучості відібраних зразків - 320-760 МПа. Товщина стінок всіх зразків - 5.5 мм, діаметр - 73 мм. Для зменшення впливу різних чинників (анізотропії матеріалу зразків, шорсткості поверхні та інших) на результати вимірювань кожен зразок був розмічений на 12 точок (на перетині 4 твірних та 3 поперечних перерізів). В кожній точці були виконані п'ятикратні вимірювання всіма приладами, які були використані в ході досліджень. Вимірювання проводились в однакових лабораторних умовах.

Для порівняльного аналізу було вирішено проводити вимірювання з використанням наступних технічних засобів: твердомір динамічний типу ТДМ-1; коерцитиметр КРМ-ЦК; прилад для визначення груп міцності нафтового сортаменту СІГМА-Т10.1; експериментальний зразок розробленої установки ФМХ-1.

Значення коефіцієнтів кореляції між виміряними параметрами (твердістю HB, коерцитивною силою Нc, показами приладу СІГМА-Т10.1 S в МПа, показами установки ФМХ-1, М) та межею текучості уТ наведені в табл. 2.

Таблиця 2.

Коефіцієнти кореляції

	HB	Hc	S	M	уТ
HB	1	0.385	0.655	-0.865	0.910
Hc		1	0.267	-0.439	0.624
S			1	-0.689	0.609
M				1	-0.895
уТ					1

Як бачимо, найбільші значення коефіцієнтів кореляції з межею текучості мають такі параметри, як твердість та інформативний параметр М. Знак мінус вказує на обернену пропорційну залежність інформативного параметра М від межі текучості. Загалом коефіцієнти кореляції не досягають високих значень, що може вказувати на нелінійність взаємозв'язків між даними параметрами та межею текучості, а також на необхідність урахування кількох параметрів одночасно.

Для встановлення оптимальної комбінації вимірюваних параметрів, яка б забезпечувала найбільш точне визначення межі текучості було використано алгоритми штучних нейронних мереж. Нейронна мережа заданої будови тренувалась для вирішення задачі апроксимації межі текучості як функції двох, трьох чи всіх чотирьох вимірюваних параметрів. Із чотирьох вимірюваних параметрів (HB, Hc, S, M) були сформовані набори по два, три та чотири параметри - загалом 11 усіх можливих комбінацій.

Набір із 13 зразків труб був розділений на дві групи:

- тренувальна - результати досліджень з 11 зразків використовувались для тренування нейронних мереж;

- тестова - результати досліджень 3 зразків, що не використовувались для тренування нейронних мереж і служили для перевірки правильності їх роботи.

Як тренувальний, використовувався алгоритм Левенберга-Марквардта, який найкраще підходить для тренування невеликих мереж і характеризується швидким сходженням.

Після проведення тестувань натренованих нейронних мереж для кожної комбінації вхідних параметрів були одержані результати, аналіз яких дає змогу стверджувати наступне:

1) збільшення кількості вхідних параметрів загалом призводить до підвищення точності визначення межі текучості, яке не є суттєвим;

2) для досягнення мінімальної похибки визначення межі текучості найбільш оптимальною комбінацією параметрів необхідно обрати наступну: твердість, покази приладу СІГМА-Т10.1, теплопровідну характеристику. Похибка визначення межі текучості в цьому випадку становить ±2.6 МПа;

3) включення до комплексу вхідних параметрів коерцитивної сили погіршує здатність нейронної мережі точно визначати межу текучості;

4) у випадку пріоритетності критерію мінімальної кількості вхідних параметрів оптимальним з точки зору найбільш точного визначення межі текучості, комплексом параметрів необхідно вважати твердість та теплопровідну характеристику - похибка визначення межі текучості становить ±9.6 МПа.

Для з'ясування загального характеру одержаних взаємозалежностей досліджуваних параметрів та для спрощення їх аналізу було розроблено спосіб графічного представлення так званої „поверхні розв'язку”, яка була згенерована мережею в ході її тренування і відображає шукану залежність. На рис. 5 зображена така поверхня для нейронної мережі, яка дала найкращий результат для вибраної оптимальної комбінації параметрів (твердості та теплопровідної характеристики). Бачимо, що межа твердості прямопропорційно залежить від твердості і обернено пропорційно від інформативного параметра М, що підтверджується знаками перед коефіцієнтами кореляції (табл.2). Складний характер отриманої поверхні розв'язку свідчить про нелінійність взаємозв'язків між межею текучості та вхідними параметрами - таке заключення підтверджується тим, що одержані коефіцієнти кореляції в табл. 2 не приймали значення, дуже близькі до одиниці.

Оскільки в ході описаних вище експериментальних досліджень були виконані багатократні вимірювання досліджуваних параметрів, то це створило передумови для метрологічної оцінки результатів визначення межі текучості згідно із запропонованим методом.



Рис. 5. Поверхня розв'язку згенерована нейронною мережею

Згідно зі стандартною методикою було виконано метрологічний аналіз результатів 12-ти кратних вимірювань твердості та теплопровідної характеристики, а також відповідні їм розраховані з допомогою нейронної мережі значення межі текучості для трьох тестових зразків труб.

У ході виконання процедур згідно зі стандартною методикою, була виявлена головна перешкода для метрологічної оцінки інформаційно-вимірювальних систем, створених на базі або із застосуванням алгоритмів штучних нейронних мереж - відсутність аналітичного виразу залежності межі текучості уT від твердості HB та параметра М.

Як зазначалось раніше, шукана залежність у прихованому вигляді міститься в структурі нейронної мережі (рис.7).



Риc.7. Структура нейронної мережі:

IW{1,1} - вагові коефіцієнти першого шару нейронів - матриця 16х2; b{1} - затримки першого шару - матриця 16х1; LW{2,1} - вагові коефіцієнти другого шару - матриця 2х16; b{2} - затримки другого шару - матриця 1х1.

сталь теплопровідність металоконструкція структурний

Користуючись відомостями щодо структури побудованої нейронної мережі, функцій перетворення та дійсними значеннями вагових коефіцієнтів, одержаних у результаті процедури тренування, шукану залежність аналітично можна записати так:

, (5)

де

, (6)

, (7)

де maxYS = 420 МПа, minYS = 180 МПа, minM = 450 с?°С, maxM = 200 с?°С, minHB = 100 HB, maxHB = 200 HB.

Необхідно зазначити, що рівняння (6) має матричну форму, а це викликає труднощі із його диференціюванням. Для розв'язання цієї задачі було використано прикладний пакет Symbolic Toolbox у середовищі MATLAB R14, який дає змогу виконувати диференціювання функцій із символьними змінними. Таким чином, було виконано всі необхідні обчислення, які включали розрахунки часткових похідних функції межі текучості першого та другого порядків.

У результаті виконаного оброблення результатів досліджень встановлено, що зведена до діапазону (440 МПа) похибка визначення межі текучості згідно із запропонованим методом не перевищує 11% за .

Четвертий розділ присвячений розробці, виготовленню та апробації дослідно-експериментального зразка установки ФМХ-1, а також розробленню методику її застосування.

Для перевірки можливості використання теплопровідності як структурно чутливого параметра було розроблено та виготовлено дослідно-експериментальний зразок установки для визначення фізико-механічних характеристик сталей ФМХ-1.

Складовий модуль установки, який призначений для вимірювання інформативного параметра, складається з блока нагрівання, блока термодавачів, блока оброблення інформації.

Блок нагрівання представляє собою керамічний інфрачервоний нагрівач виробництва фірми Salamander. Переваги використовуваного нагрівача: високий коефіцієнт корисної дії (до 96%), потужність 1000 Вт, безконтактність нагрівання, невеликі розміри (в корпусі - 280х110х120 мм), швидкий вихід на робочий режим нагрівання (до 5 хвилин). Блок термодавачів - лінійка з шести напівпровідникових терморезистивних давачів (точність ±0.25 °С у діапазоні температур 20-100 °С). Блок оброблення інформації забезпечує реєстрацію змін температури з дискретністю 1 с, виконання всіх розрахунків включаючи за алгоритмами штучних нейронних мереж. Перед вимірюванням теплопровідності проводяться вимірювання твердості за шкалою Брінеля за допомогою серійного динамічного твердоміра типу ТДМ-1, які після цього передаються через інтерфейс RS-232 в блок оброблення інформації.

Робота блока оброблення інформації базується на розробленому спеціалізованому програмному забезпеченні, яке реалізує алгоритми зчитування даних, розрахунку комплексу інформативних параметрів та моделювання штучної нейронної мережі.

ІВС ФМХ-1 може працювати як разом із ПК, так і в автономному режимі. За умов роботи в автономному режимі використовується тільки внутрішнє програмне забезпечення приладу. За умов роботи приладу під керування ПК відбувається вимірювання, кодування, передача і графічне відображення одержаних значень вимірювань у режимі реального часу. За допомогою комп'ютера можна деталізувати зображення графіків теплопереносу та здійснити розрахунок межі текучості матеріалу об'єкта контролю. Розроблене програмне забезпечення представляє собою виконавчий файл FMH1.EXE, який забезпечує виконання всіх необхідних функцій для роботи приладу з ПК. Робота програми можлива в середовищі WINDOWS 95, 98, WINDOWS 2000/ХР.

Загальний вигляд комплекту ІВС ФМХ-1, який використовується для контролю фізико-механічних характеристики сталей згідно із запропонованим методом контролю зображено на рис.6.

Рис.6. Комплект ІВС ФМХ-1

Для забезпечення достовірності результатів контролю, розроблено проект методики використання ІВС ФМХ-1. При цьому основну увагу було приділено питанням розроблення стандартних взірців підприємства та використанню результатів контролю для розрахунків на міцність та залишкового ресурсу різних типів деталей та обладнання. Промислову апробацію ІВС ФМХ-1 було виконано в умовах Богородчанського ЛВУМГ УМГ „Прикарпаттрансгаз” та Бібрського ЛВУМГ УМГ „Львівтрансгаз”.

ВИСНОВКИ

У результаті проведених теоретичних, експериментальних та промислових досліджень вирішена важлива науково-технічна проблема - розроблено нові метод та засіб визначення фактичних фізико-механічних характеристик металоконструкцій довготривалої експлуатації і одержано такі основні результати:

1. На основі проведеного аналізу відомих методів і засобів неруйнівного визначення фізико-механічних характеристик сталей показано, що вони є недостатньо інформативними, не забезпечені необхідним теоретичним підґрунтям, мають ряд обмежень щодо їх застосування, а також не можуть бути використані для визначення основних механічних характеристик матеріалу металоконструкцій, необхідних для оцінки їх залишкового ресурсу. Обґрунтовано необхідність розроблення нових методів контролю фізико-механічних характеристик з використанням нових інформативних параметрів.

2. Запропоновано новий метод неруйнівного визначення фізико-механічних характеристик матеріалів, який полягає у використанні характеристик переносу тепла (теплопровідності) матеріалу як первинного параметрів контролю, що дало змогу підвищити точність, а в перспективі поширити метод для визначення інших механічних характеристик та дослідження структурного стану матеріалів.

3. Проведено теоретичні дослідження нового методу, а саме: шляхом математичного моделювання встановлено можливість вимірювання розподілу температури в просторі і часі для визначення лінійної теплопровідності; виділено інформативний параметр, який характеризує теплопровідність згідно із обраними критеріями, є площею спеціальної побудови на графічному зображені виміряних часових залежностей температури, відображає фізичну суть процесу теплопереносу та залежить від дійсних значень теплопровідності матеріалу.

4. Розроблено новий спосіб неруйнівного контролю механічних характеристик сталей (патент України № 75949), що полягає у вимірюванні фізичних параметрів (питомого електричного опору, коефіцієнта теплопровідності та твердості) і отриманні за ними розрахункових значень механічних характеристик, для чого використовують технології штучних нейронних мереж.

5. За результатами експериментальних досліджень було встановлено наявність та характер залежності обраного комплексу параметрів від межі текучості - прямопропорційний для твердості та оберненопропорційний для інформативного параметра, який характеризує теплопровідність. Виявлено, що цей комплекс параметрів відзначається значними коефіцієнтами кореляції з межею текучості (твердість - 0,91 та інформативний параметр - 0,89), що дало змогу згідно із розробленим способом визначати цю механічну характеристику з приведеною до діапазону похибкою не більшою, ніж 11% за .

6. Вдосконалено та використано сучасні методи статистичної обробки інформації (штучні нейронні мережі) як для встановлення оптимального комплексу параметрів контролю, так і для апроксимації межі текучості як функції від цих параметрів, що дало змогу отримати дану функцію в аналітичному та графічному виглядах.

7. Розроблено та виготовлено дослідно-експериментальний зразок установки для визначення фізико-механічних характеристик сталей (замовник ДК „Укртрансгаз”). Проведено промислову апробацію ІВС ФМХ-1 в умовах УМГ „Прикарпаттрансгаз” та УМГ „Львівтрансгаз”. Розроблено проект методики визначення фізико-механічних характеристик сталей за допомогою розробленої інформаційно-вимірювальної системи ФМХ-1. Очікуваний річний економічний ефект від впровадження розробленої установки становить 127 тис. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Карпаш О.М., Молодецький І.А., Кісіль І.С., Карпаш М.О. Новий підхід до визначення фізико-механічних параметрів сталей неруйнівними методами // Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів: Зб. наук. праць. - 2004. - Вип. 9. - С. 80-86.

2. О.М. Карпаш, И.А. Молодецкий, М.О. Карпаш. Общий обзор методов оценки физико-механических характеристик металлов // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2004. - № 2.- С. 18-22.

3. Карпаш М.О. Обґрунтування комплексного підходу до визначення фізико-механічних характеристик матеріалу металоконструкцій // Методи та прилади контролю якості. - 2004. - № 12. - С. 30-33.

4. О.М. Карпаш, Я.М. Зінчак, М.Р. Козулькевич, М.О. Карпаш. Оцінка залишкового ресурсу та визначення фактичного стану - основа промислової безпеки бурових установок (БУ) // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2005. - № 3.- С. 96-102.

5. Кісіль І.С., Карпаш М.О., Ващишак І.Р. Прилад для контролю фізико-механічних характеристик сталей ФМХ-1 // Методи та прилади контролю якості. - 2005. - № 14. - С.77-80.

6. М.О. Карпаш, В.М. Мойсишин. Розв'язання оберненої одномірної задачі теплопровідності для цілей неруйнівного контролю // Науковий вісник Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу. - 2005. - № 3. - С.148-154.

7. І.С.Кісіль, М.О.Карпаш. Метрологічна оцінка результатів контролю фізико-механічних характеристик матеріалів металоконструкцій // Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів: Зб. наук. праць.- 2006. - Вип. 11. - С. 175-181.

8. Карпаш М.О., Кісіль І.С., Карпаш О.М., Молодецький І.А. Застосування комплексного підходу до визначення фізико-механічних характеристик нафтогазового обладнання // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2006. - № 2. - С.13-18.

9. Патент. 75949 UA Україна, МПК G 01N 25/02. Спосіб неруйнівного контролю механічних характеристик сталей / Карпаш О.М., Карпаш М.О., Райтер П.М., Ващишак С.П. (Україна). - Бюл. № 6, 2006.

10. О.Карпаш, М.Карпаш, І.Кісіль. Прилад для контролю фізико-механічних характеристик металоконструкцій на базі вимірювання кількох параметрів // Третя науково-практична конференція „Організація неруйнівного контролю якості продукції в промисловості”, м.Аланія, Турція, 30 квітня - 7 травня 2005р. - С.13-14.

11. М.О. Карпаш, И.С. Кисиль, О.М. Карпаш. Определение физико-механических свойств материалов металлоконструкций длительной эксплуатации // ХVII Российская научно-техническая конференция с международным участием “Неразрушающий контроль и диагностика”, Екатеринбург, 5-11 сентября 2005 г.- С.260.

12. Карпаш М.О., Кісіль І.С. Щодо можливості контролю фізико-механічних характеристик сталей магістральних трубопроводів // Матеріали 5-ої Національної науково-технічної конференції і виставки „Неруйнівний контроль та технічна діагностика”, 10-14 квітня 2006, Київ, С. 362-365.

Анотація

Карпаш М.О. Розроблення методу та засобу визначення фізико-механічних характеристик матеріалу металоконструкцій довготривалої експлуатації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого звання кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 - Прилади і методи контролю та визначення складу речовин. - Національний університет „Львівська політехніка”, м.Львів, 2006.

Дисертація присвячена питанню визначення фізико-механічних характеристик матеріалу металоконструкцій тривалої експлуатації.

Досліджено і обґрунтовано можливість та доцільність використання характеристик теплопереносу як структурно чутливих. Розроблено та досліджено новий метод визначення фізико-механічних характеристик сталей, який полягає у комплексному врахуванні кількох параметрів (твердості, теплопровідності та питомого електричного опору) неруйнівного контролю. Побудовано математичну модель процесу вимірювання лінійної теплопровідності. Проведено дослідження щодо виділення інформативного параметра, який характеризує теплопровідність згідно з обраними критеріями. Виділений інформативний параметр є площею спеціальної побудови на графічному зображені виміряних часових залежностей температури, відображає фізичну суть процесу теплоперенесу та залежить від дійсного значення теплопровідності. Визначено шляхи технічної реалізації розробленого методу контролю. Здійснено метрологічну оцінку запропонованого методу визначення фізико-механічних характеристик.

Розроблено та виготовлено дослідно-експериментальний зразок установки для визначення фізико-механічних характеристик сталей (замовник ДК „Укртрансгаз”). Розроблено проект методики визначення фізико-механічних характеристик сталей за допомогою розробленої інформаційно-вимірювальної системи ФМХ-1.

Ключові слова: фізико-механічні характеристики, трубопроводи, комплексний підхід, теплопровідність, твердість, штучні нейронні мережі, інформаційно-вимірювальна система.

АнНотацИя

Карпаш М.О. Разработка метода и средства определения физико-механических характеристик материала металлоконструкций длительной эксплуатации. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 - Приборы и методы контроля и определение состава веществ. - Национальный университет „Львовская политехника”, г.Львов, 2006.

Диссертация посвящена вопросу определения физико-механических свойств материала металлоконструкций длительной эксплуатации.

В первом разделе проведен анализ сортамента и типов сталей, которые используются в отечественной газотранспортной отрасли, условий их эксплуатации, основных причин и видов отказов и повреждений.

Анализ известных методов и средств контроля показал, что существуют четыре метода неразрушающего контроля физических и механических характеристик материалов металлоконструкций не имеющих теоретической базы, которая позволила бы определить количественные взамосвязи параметров контроля с нужными физическими или механическими характеристиками.

Второй раздел посвящен теоретическим исследованиям новых подходов и методов определения физико-механических свойств сталей. Проанализировано основные физико-механические характеристики конструкционных сталей, которые приводятся в нормативной документации на предмет выявления взаимосвязей между ними с помощью графоаналитического, корреляционного методов и статистического с использованием алгоритмов искусственных нейронных сетей. Исследовано и обосновано возможность и целесообразность использования характеристик теплопереноса в качестве структурно чувствительных. Разработано и исследовано новый метод определения физико-механических характеристик сталей, который состоит в комплексном учете нескольких параметров (твердости, теплопроводности и удельного электрического сопротивления) неразрушающего контроля. Построено математическую модель процесса измерения линейной теплопроводности. Проведены исследования по выбору информативного параметра, который характеризует теплопроводность согласно избранных критериев.

Третий раздел содержит методику и результаты: экспериментальных исследований по установлению зависимости избранного информативного параметра характеризирующего теплопроводность от толщины объектов контроля; сравнительных испытаний по определению физико-механических свойств насосно-компресорных труб разных групп прочности известными методами и предлагаемым; метрологической оценки предложенного метода контроля. Определенный характер зависимости предела текучести от выбранного комплекса параметров - прямопорциональный для твердости и обратнопропорциональный для информативного параметра, характеризующего теплопроводность. Использование алгоритмов нейронных сетей позволило получить зависимости предела текучести от параметров контроля в аналитическом и графическом виде. Установлена возможность определения предела текучести с использованием разработанного метода с относительной погрешностью не более 11% при .

В четвертом разделе разработано и изготовлено экспериментальный образец установки для определения физико-механических свойств сталей (заказчик ГК “Укртрансгаз”). Проведены успешные лабораторные испытания и промышленная апробация установки в условиях УМГ “Прикарпаттрансгаз” и УМГ “Львовтрансгаз”. Разработан проект методики определения физико-механических свойств сталей с помощью разработанной информационно-измерительной системы ФМХ-1. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения разработанной установки составляет 127 тыс.грн.

Ключевые слова: физико-механические характеристики, трубопроводы, комплексный подход, теплопроводность, твердость, искусственные нейронные сети, информационно-измерительная система.

ABSTRACTS

Karpash M.O. Development of method and mean for evaluation of physical and mechanical properties of material of long-term maintained metalworks. - Manuscript.

Dissertation on competition of scientific degree of the candidate of engineering sciences at speciality 05.11.13 - Instruments and methods of control and composition of material determination. - National University “Lviv Polytechnic”, Lviv, 2006.

Dissertation is devoted to the problem of physical and mechanical properties evaluation regarding to material of long-term maintained metalworks.

Parameters of heat transfer are proposed to be used as structure sensitive. A new method for mechanical properties evaluation which lays in complex accounting of several non-destructive parameters (hardness, thermal conductivity and electrical resistivity) for yield strength evaluation. A mathematical model for linear thermal conductivity measurement has been developed. Numerical investigations were done for extraction of parameter which characterizes thermal conductivity according to selected criterions. Extracted informative parameter represents physical background of heat transfer process and depends on real values of thermal conductivity. Ways of technical realization of the developed method have been drawn. Experiments on lifting pipes showed good agreement with theoretical results. Relative mean error of yield strength evaluation using the developed method is less than 11%.

The informative and measuring system FMH-1 have been developed for SC Ukrtransgaz for mechanical properties evaluation. Also the template of technique for mechanical properties evaluation enabling the developed method have been developed.

Key words: physical and mechanical properties, complex approach, pipelines, hardness, thermal conductivity, neural networks, informative and measuring system.

Размещено на Allbest.ru

...