Методика оценки технического состояния сварных несущих металлоконструкций грузоподъемных кранов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Специальность 05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Методика оценки технического состояния сварных несущих металлоконструкций грузоподъемных кранов

Овчинников Николай Владимирович

Санкт-Петербург - 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет" (СПбГАСУ).

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент ГОРДИЕНКО ВАЛЕРИЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет" (СПбГАСУ)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ВОЛКОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ, ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет" (СПбГАСУ)

кандидат технических наук, доцент БОРТЯКОВ ДАНИЛ ЕВГЕНЬЕВИЧ ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" (СПбГПУ)

Ведущая организация: ФГОУ ВПО "Петербургский государственный университет путей сообщения" (ПГУПС)

Защита состоится 02 декабря 2010 г. в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.223.02 при ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет" (СПбГАСУ) по адресу: 190103, Санкт-Петербург, ул. Курляндская, д. 2/5, ауд. 340-К.

Факс (812) 316-58-72.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет" (СПбГАСУ).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, ГОУ ВПО СПбГАСУ.

Автореферат разослан 2 ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.223.02 доктор технических наук, профессор РЕПИН С.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы и направленность исследований. Проблема обеспечения надежной и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов с каждым годом становится все более актуальной, так как их старение значительно опережает темпы технического перевооружения. Так, в настоящее время парк грузоподъемных машин, отработавших нормативный срок службы, составляет 80…82 %, что требует обязательного проведения экспертизы промышленной безопасности с целью оценки их технического состояния и выдачи заключения о возможности дальнейшей эксплуатации.

В соответствии с материалами РД 10-112-1-97 "Методические указания по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сроком службы. Часть I" и требованиями профильных РД 10-112-2, 3, 4, 5-97 все типы грузоподъемных кранов подвергаются обязательному контролю несущих металлоконструкций.

Техническое состояние грузоподъемных кранов характеризуется техническим состоянием несущих металлоконструкций (МК), составляющих до 80 % от общей массы крана, и определяется их фактическим напряженно-деформированным состоянием (НДС) с учетом конструктивных и технологических концентраторов напряжений, структурной неоднородности сварных соединений и остаточных напряжений, усталостных дефектов и коррозионных повреждений, зон пластической деформации, а также структурных изменений металла вследствие старения, деформационного и термического воздействий.

Существующие методики оценки технического состояния опасных производственных объектов, подконтрольных Ростехнадзору, к которым относятся грузоподъемные краны, включают в себя проведение поверочного расчета, на основании которого принимается решение о дальнейшей эксплуатации обследуемой конструкции без ограничений, необходимости ограничения эксплуатации конструкции до проведения усиления или немедленного прекращения эксплуатации для ликвидации аварийной ситуации.

Однако поверочный расчет не дает объективной картины о техническом состоянии эксплуатируемых МК, что связано как с упрощением расчетной схемы конструкции, так и с вышеперечисленными факторами, которые не представляется возможным учесть в поверочном расчете. Кроме того, в поверочном расчете не учитываются фактические величины напряжений, которые действуют в опасных локальных зонах концентрации напряжений (КН), в которых процессы усталости и коррозии протекают наиболее интенсивно. Выявить такие зоны КН с применением существующих методик оценки технического состояния не представляется возможным, что не позволяет учесть их влияние (величины действующих напряжений, эффективные коэффициенты концентрации и пр.) при оценке напряженно-деформированного состояния металла.

Одним из решений этой задачи является разработка методики оценки технического состояния несущих МК, которая бы учитывала структурное состояние, химический состав металла и фактические величины действующих напряжений, определенные в выявленных опасных зонах КН на основании взаимосвязи между механическими, структурными и магнитными параметрами. Повышение достоверности результатов оценки НДС МК грузоподъемных кранов достигается путем комплексного применения различных методов и пассивного феррозондового метода неразрушающего контроля, который позволяет провести как выборочное (на основании рекомендаций), так и сплошное (при отсутствии статистики о повреждениях, например, для новых типов кранов) диагностирование металлоконструкций без предварительной подготовки поверхности контроля.

Пассивный феррозондовый метод реализует магнитомеханическое явление в ферромагнитных материалах (магнитоупругий эффект и магнитомеханический гистерезис при упругой и пластической деформации соответственно), основан на регистрации напряженности магнитных полей рассеяния на поверхности элементов конструкций, возникающих в зонах дефектов, структурной неоднородности материала и концентрации напряжений и позволяет проводить контроль по способу остаточной намагниченности без приложения внешнего магнитного поля (в условиях естественного намагничивания в слабом магнитном поле Земли), являясь с этой точки зрения достаточно привлекательным.

Проведенный анализ показал, что систематические исследования по разработке и совершенствованию методов и методик контроля технического состояния сварных несущих металлоконструкций эксплуатируемых грузоподъемных кранов по величине и изменению остаточной намагниченности металла (область Рэлея) с учетом упруго-пластической работы элементов конструкций практически отсутствуют.

В связи с вышесказанным исследования, посвященные обеспечению надежной и безопасной эксплуатации сварных несущих металлоконструкций грузоподъемных кранов путем оценки их фактического напряженно-деформированного состояния на основе развития и разработки методов и методик контроля и диагностики представляются весьма актуальными.

Объект исследования - методы оценки напряженно-деформированного состояния металла.

Предмет исследования - элементы сварных несущих металлоконструкций грузоподъемных кранов.

Цель диссертационной работы - разработка методики оценки технического состояния сварных несущих металлоконструкций грузоподъемных кранов на основе установления взаимосвязи между механическими, структурными и магнитными параметрами конструкционных сталей в условиях циклического упруго-пластического деформирования в слабом магнитном поле Земли (область Рэлея).

Задачи исследований. Для достижения указанной цели в диссертационной работе обоснованы и поставлены следующие научно-технические задачи:

1. Теоретически и экспериментально исследовать возможность оценки технического состояния сварных несущих металлоконструкций грузоподъемных кранов по остаточной намагниченности металла с учетом неизвестной механической и магнитной предыстории, толщины немагнитного защитного покрытия, химического состава и структуры конструкционных сталей.

2. Экспериментально исследовать взаимосвязь прочностных и магнитных параметров конструкционных сталей в процессе получения диаграммы растяжения в координатах нагрузка-деформация, оценить влияние деформационного и термического воздействий на изменение структуры металла сварных конструкций грузоподъемных кранов, разработать режимы получения структур с заданным размером зерен, характерных для структурной неоднородности сварных соединений и поставляемого проката, и способы поэтапного пассивного феррозондового контроля структурных изменений.

3. Провести экспериментальные исследования по выявлению взаимосвязи между действующими напряжениями, структурой металла и напряженностью магнитного поля рассеяния при циклическом упруго-пластическом деформировании конструкционных сталей, и на этой основе разработать способы определения действующих напряжений в элементах металлоконструкций при их ступенчатом нагружении (разгружении) по остаточной намагниченности металла.

4. Разработать и апробировать методику оценки технического состояния сварных несущих металлоконструкций эксплуатируемых грузоподъемных кранов с применением пассивного феррозондового и других разрушающих и неразрушающих методов контроля.

Методы исследования. Задачи диссертационных исследований решены на основе применения апробированных и корректных разрушающих и неразрушающих методов контроля: механических испытаний, металлографического анализа, термической обработки сталей, пассивного феррозондового контроля. При оценке работы реальных конструкций использовались экспериментальные данные, полученные на лабораторных образцах из конструкционных сталей 08пс и 09Г 2С.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

1. Установлена взаимосвязь между действующими напряжениями и напряженностью магнитного поля рассеяния в конструкционных сталях в процессе получения диаграммы растяжения в координатах нагрузка-деформация, что является основанием для рекомендации к применению пассивного феррозондового метода для оценки уровня действующих напряжений в элементах несущих металлоконструкций грузоподъемных кранов. Выявлено влияние механической и магнитной предыстории металла и толщины немагнитного защитного покрытия на величину остаточной намагниченности металла в слабом магнитном поле Земли (область Рэлея), что повышает достоверность результатов измерений.

2. Разработаны режимы получения структур с заданным размером зерен, характерных для элементов металлоконструкций и структурной неоднородности сварных соединений, и способы поэтапного неразрушающего контроля структурных изменений в конструкционных сталях пассивным феррозондовым методом, обладающим высокой структурной чувствительностью.

3. Установлена взаимосвязь между действующими напряжениями, структурой и напряженностью магнитного поля рассеяния в малоуглеродистых и низколегированных сталях при циклическом упруго-пластическом деформировании и разработан способ определения напряжений в металле при ступенчатом нагружении (разгружении) конструкции по характеру и величине приращения магнитного параметра , что позволяет оценить величину действующих напряжений в элементах металлоконструкций грузоподъемных кранов.

4. Разработана методика оценки технического состояния сварных несущих металлоконструкций грузоподъемных кранов на основе применения пассивного феррозондового и других методов контроля, предусматривающая учет структурного состояния, химического состава, механической и магнитной предыстории металла и толщины немагнитного защитного покрытия. металлоконструкция кран сварный

Степень обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается: выбором наиболее распространенных марок сталей различных классов прочности; применением оборудования, приборов и инструментов, прошедших метрологические поверку и калибровку; использованием апробированных методов, методик и способов контроля; достоверностью и представительностью исходных и экспериментальных данных, использованием основных положений классической теории ферромагнетизма.

Положения, выносимые на защиту:

1. Взаимосвязь между действующими напряжениями и напряженностью магнитного поля рассеяния в конструкционных сталях при получении диаграммы растяжения в координатах нагрузка-деформация, а также результаты экспериментальных исследований по оценке влияния механической и магнитной предыстории, толщины немагнитного защитного покрытия на величину остаточной намагниченности металла.

2. Режимы получения структур с заданной степенью дисперсности в конструкционных сталях, характерных для элементов несущих металлоконструкций грузоподъемных кранов и других конструкций, и способов поэтапного магнитного контроля структурных изменений, необходимых для повышения достоверности результатов исследований при оценке технического состояния металлоконструкций.

3. Взаимосвязь действующих напряжений, структуры и напряженности магнитного поля рассеяния, установленная в результате экспериментальных исследований при циклическом упруго-пластическом деформировании малоуглеродистых и низколегированных сталей, а также способы определения действующих напряжений в элементах металлических конструкций по характеру и величине приращения напряженности магнитного поля рассеяния при их ступенчатом нагружении (разгружении), используемых при оценке напряженно-деформированного состояния металла.

4. Методика оценки технического состояния сварных несущих металлоконструкций эксплуатируемых грузоподъемных кранов на основе комплексного применения пассивного феррозондового и других методов контроля, включающая выявление зон концентрации напряжений, оценку степени их опасности и определение в наиболее опасных из них действующих напряжений, используемых в поверочных расчетах.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в разработке и апробации:

1. Режимов получения структур с заданным размером зерен, характерных для сварных соединений, обладающих структурной неоднородностью, и элементов металлоконструкций грузоподъемных кранов, и способов поэтапного контроля структурных изменений по остаточной намагниченности металла.

2. Способов определения действующих напряжений в элементах металлических конструкций по характеру и величине приращения напряженности магнитного поля рассеяния при их ступенчатом нагружении (разгружении), используемых при оценке напряженно-деформированного состояния металлоконструкций (патент РФ на изобретение).

3. Методики оценки технического состояния сварных несущих металлоконструкций грузоподъемных кранов, включающей в себя применение пассивного феррозондового метода, позволяющего выявлять и проводить оценку степени опасности зон концентрации напряжений, и в наиболее опасных из них определять величины действующих напряжений, используемых в поверочных расчетах, что способствует повышению степени достоверности результатов оценки технического состояния металлоконструкций грузоподъемных кранов и обеспечению их надежной и безопасной эксплуатации.

4. Научных положений, выводов и рекомендаций, приведенных в диссертационной работе, в промышленных условиях при техническом диагностировании подкрановых путей и подкрановых балок (ЗАО "Локомотив" ДО ОАО "Кировский завод" (С.-Петербург)) и в учебном процессе СПбГАСУ.

Апробация работы. Основные научные положения, выводы и рекомендации по материалам диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях: на 58-63-ой международных научно-технических конференциях молодых ученых (аспирантов, докторантов) и студентов (СПб, 2005-2010), на 62-67-ой научных конференциях профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов СПбГАСУ (СПб, 2005-2010).

Публикации. Основные положения диссертационного исследования отражены в 22 публикациях, в состав которых входят 1 патент РФ на изобретение; в журналах, включенных в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, опубликовано 8 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов и списка литературы, включающего 145 наименований. Диссертация изложена на 154 страницах основного текста, содержит 54 рисунка, 11 таблиц и приложение.

Основное содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу современного состояния вопроса оценки фактического напряженно-деформированного состояния сварных несущих металлоконструкций грузоподъемных кранов с применением различных методов и методик контроля и диагностики.

Решению проблем обеспечения и повышения долговечности, надежности и безопасности эксплуатации сварных металлоконструкций посвятили свои исследования такие видные ученые, как Акулов Н.С., Безлюдько Г.Я., Вершинский А.В., Волков С.А., Вонсовский С.В., Горицкий В.М., Горкунов Э.С., Горлин А.М., Гофман Ю.М., Гохберг М.М., Дубов А.А., Живейнов Н.Н., Карасев Г.Н., Качурин В.К., Киренский Л.В., Клюев В.В., Котельников В.С., Кулеев В.Г., Куркин С.А., Ланг А.Г., Левин Е.А., Лившиц В.Л., Липатов А.С., Майзель В.С., Михеев М.И., Мужицкий В.Ф., Невзоров Л.А., Николаев Г.А., Ничипурук А.П., Панкратов С.А., Попов Б.Е., Ряхин В.А., Семенов В.П., Смородинский И.М., Соколов С.А., Стрелецкий Н.С., Цвей И.Ю., Шишков Н.А., Шур Я.С., Щербинин М.Н. и многие другие.

Проведенный анализ показал, что сварные несущие металлоконструкции грузоподъемных кранов, несмотря на значительные конструктивные и иные отличия (внешний вид, принцип действия, область применения), имеют между собой много общего:

· представляют собой сложные сварные конструкции из трубного, пустотелого прямоугольного или уголкового проката;

· изготавливаются преимущественно из малоуглеродистых и низколегированных сталей;

· используют в качестве основных стыковые и угловые сварные соединения;

· имеют ряд тяжелонагруженных узлов, в которых при определенных условиях (динамические нагрузки и пр.) могут возникать опасные локальные зоны КН с прохождением местной пластической деформации.

Однако до сих пор оценка напряженно-деформированного состояния металлических конструкций и сооружений представляет значительные трудности. Труднодоступные места, замкнутые контуры, сварные соединения и узлы металлоконструкций, зоны концентрации напряжений могут быть просто недоступны для обследования без специальных приспособлений. Если же такие опасные зоны КН не выявлены, то снижается ценность проводимых поверочных расчетов с целью выявления ресурса и продления срока службы эксплуатируемых сварных МК. Эти трудности усугубляются при техническом диагностировании кранов с протяженными пространственными решетчатыми конструкциями, присущими различным видам грузоподъемных кранов (рис. 1).

а б

в

Рис. 1. Схемы первоочередного осмотра несущих металлоконструкций грузоподъемных кранов: а - пневмоколесный кран, б - башенный кран, в - козловой кран

Следует отметить, что в настоящее время практически отсутствуют работы по выявлению взаимосвязи между действующими напряжениями и напряженностью магнитного поля рассеяния в процессе циклического упруго-пластического деформирования конструкционных сталей в условиях естественного намагничивания металла в слабом магнитном поле Земли (область Рэлея). Недостаточно полно рассмотрены вопросы влияния структурного состояния конструкционных сталей на механические и магнитные параметры, тогда как эксплуатируемые сварные конструкции изготавливаются из различных видов заводского проката с различной исходной микроструктурой (крупнозернистая, мелкозернистая, деформированная), не учтены структурная неоднородность сварных соединений, механическая и магнитная предыстория металла, толщина немагнитного защитного покрытия.

Поэтому использование магнитомеханического явления, расширение возможностей пассивного феррозондового контроля путем разработки методик в целом способствуют получению объективных оценок напряженно-деформированного состояния сварных несущих металлоконструкций грузоподъемных машин за счет проведения сплошного магнитного контроля элементов конструкций, выявления потенциальных зон концентрации напряжений, оценки степени их опасности и определения в наиболее опасных из них величин действующих напряжений, учитываемых в поверочных расчетах.

Вторая глава посвящена обоснованию и выбору материала исследования, приборов, методов и методик контроля состояния металла и оценки напряженно-деформированного состояния сварных металлоконструкций грузоподъемных кранов, а также адаптации и разработке способов и методик в целях определения границ применимости и совершенствования пассивного феррозондового метода.

Для контроля структурных изменений в металле и косвенного определения напряжений в элементах сварных металлоконструкций разработана методика, которая включает в себя обязательное применение пассивного феррозондового метода. В процессе исследований напряженность магнитного поля рассеяния контролируют с помощью прибора ИКНМ-2ФП с двухканальным феррозондовым преобразователем (рис. 2).

Для проведения экспериментальных исследований использовались плоские образцы, изготовленные по ГОСТ 1497-84 из малоуглеродистой стали 08пс (в качестве модельного материала) и низколегированной стали 09Г 2С. Такой выбор сталей был обусловлен следующими причинами:

· широким применением в краностроении и других отраслях;

· разными категориями прочности сталей;

· наличием хороших характеристик пластичности;

· разной склонностью к циклическому упрочнению и разупрочнению, что имеет существенное значение при интерпретации результатов со сталями подобного класса;

· возможностью распространения полученных закономерностей и выдачи обоснованных рекомендаций на стали, близкие к исследуемым по составу и свойствам.

Термическая обработка образцов из исследуемых сталей проводилась в программируемых муфельных печах SNOL 8.2/1100 и SNOL 30.0/1100 с микропроцессорным управлением (рис. 3).

При микроструктурном анализе применялся комплекс, включающий в себя инвертированный металлографический микроскоп МЕТАМ РВ-22 с оптической фотонасадкой, высокоразрешающую цифровую фотоаппаратуру и персональный компьютер (рис. 4). Величина зерна определялась методом секущих (метод Глаголева) по результатам 5...9 измерений при увеличении 600х. Данные металлографических исследований обрабатывались математически.

Статические испытания на растяжение проводились на поверенной разрывной машине FPZ 100/1 (рис. 5). Скорость деформирования составляла 2 мм/мин. В работе оценивалась пластичность по относительному удлинению д, предел прочности и предел текучести (условный предел текучести).



Рис. 2. Проведение магнитных измерений с помощью прибора ИКНМ-2ФП

Рис. 3. Внешний вид программируемых муфельных печей типа SNOL

Деформация образцов осуществлялась при циклическом ступенчатом упруго-пластическом нагружении. При этом во время остановок замерялись значения напряженности магнитного поля рассеяния при сохранении постоянного контакта феррозондового преобразователя с поверхностью образца.

Сварные металлоконструкции грузоподъемных кранов, в зависимости от поставляемого заводского проката (горячекатаный, нормализованный, после термической обработки, холоднокатаный после рекристаллизационного отжига) и структурной неоднородности сварных соединений, имеют различную микроструктуру (крупнозернистую, мелкозернистую, деформированную), что определяет различные механические свойства. Поэтому с целью получения структур, характерных для реальных сварных металлоконструкций, исследуемые стали подвергались различным видам предварительной обработки:

· состояние поставки;

· для получения деформированной структуры проводилась дробная прокатка на степень деформации = 50 %;

· для получения крупнозернистой структуры проводился высокотемпературный отжиг при 900 °С и 1050 °С;

· для получения структуры с заданной степенью дисперсности были разработаны режимы термической обработки, включающие в себя:

· рекристаллизационный отжиг деформированных сталей (степень деформации =50 %) в интервале температур 20…900 єС;

· термоциклическую обработку с 1-5-кратным нагревом сталей при 770…690 °С, предусматривающую с последнего цикла охлаждение на воздухе.

Для выявления взаимосвязи механических, структурных и магнитных параметров исследуемых сталей в первую очередь было проведено исследование изменения напряженности магнитного поля рассеяния при получении диаграммы растяжения в координатах нагрузка-деформация. Одна из типичных зависимостей, полученных в результате экспериментальных исследований, приведена на рис. 6. Видно, что в упругой области деформирования растяжением для малоуглеродистой стали 08пс в состоянии поставки с увеличением внешней нагрузки (то есть с увеличением напряжений) происходит уменьшение значений магнитного параметра , в районе площадки текучести наблюдается стабилизация минимальных значений и последующее увеличение в области пластического деформирования. Аналогичные результаты получены и при испытаниях стали 09Г 2С, что дает основание для проведения дальнейших исследований с целью расширения и уточнения взаимосвязи при циклическом упруго-пластическом деформировании конструкционных сталей.

Рис. 6. Изменение магнитного параметра при растяжении стали 08пс в состоянии поставки

При оценке напряженно-деформированного состояния МК многие неразрушающие методы контроля требуют предварительной подготовки поверхности контроля, что предусматривает, в частности, удаление защитного покрытия и его последующее восстановление с привлечением дополнительных материальных и трудовых затрат. Поэтому в работе исследовалось влияние толщины немагнитного защитного покрытия между поверхностью контроля и феррозондовым преобразователем на изменение магнитного параметра (рис. 7).

Рис. 7. Изменение напряженности магнитного поля рассеяния с увеличением толщины немагнитного защитного покрытия для стали 09Г 2С в состоянии поставки при различных исходных значениях

Установлено, что при толщине немагнитного защитного покрытия 0...3 мм относительное изменение значения магнитного параметра в среднем не превышает 20 %, что позволяет рекомендовать пассивный феррозондовый метод для контроля элементов эксплуатируемых сварных конструкций без удаления немагнитного защитного покрытия толщиной до 3-х мм и способствует повышению производительности труда, особенно при проведении сплошного магнитного сканирования элементов сварных металлоконструкций.

Следует отметить, что механическая и магнитная предыстория металла эксплуатируемых металлоконструкций грузоподъемных кранов чаще всего неизвестна и неконтролируема. Кроме того, в процессе изготовления, транспортировки, монтажа и эксплуатации элементы конструкций могут подвергаться как механическим, так и магнитным воздействиям, что влияет на достоверность результатов магнитных измерений. Поэтому было необходимо установить такие условия проведения пассивного феррозондового контроля, которые позволили бы исключить это влияние. С этой целью на образцах из исследуемых сталей проводилось искусственное создание зон локальной намагниченности и местных пластических деформаций. Результаты исследований представлены на рис. 8.

Установлено, что как при обработке образцов постоянным магнитным полем, так и при нанесении механических повреждений, предварительное проведение одного-двух циклов нагружение-разгружение в упругой области деформирования позволяет практически полностью исключить влияние магнито-механической предыстории образцов на результаты измерения напряженности магнитного поля рассеяния.

а б



Рис. 8. Зависимость напряженности магнитного поля рассеяния от одноосных напряжений растяжения при упругом деформировании стали 08пс: (а) - для намагниченных образцов, (б) - для локально упрочненных образцов

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования с использованием различных приборов, методов и методик контроля позволили выявить связь между механическими, структурными и магнитными параметрами сталей и повысить степень достоверности результатов магнитного контроля за счет предварительного снятия магнитной и механической предыстории металла и повысить производительность труда за счет проведения пассивного феррозондового контроля без удаления немагнитного защитного покрытия толщиной до 3-х мм.

В третьей главе изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований на конструкционных сталях, имеющих различные химический состав и исходное структурное состояние, для получения микроструктур, характерных для элементов сварных металлоконструкций эксплуатируемых грузоподъемных кранов, изготовленных из различных видов заводского проката и имеющих различные механические свойства, с пассивным феррозондовым контролем структурных изменений.

Проведенный анализ показал, что наиболее приемлемыми способами получения микроструктур с заданной степенью дисперсности являются рекристаллизационный отжиг и термоциклическая обработка (ТЦО) сталей (рис. 9). В процессе рекристаллизационного отжига установлена связь между структурными превращениями и изменением магнитного параметра в сталях и показано, что монотонное снижение значений заканчивается по окончании первичной рекристаллизации (рис. 9, а).

В процессе работы выявлены особенности формирования микроструктуры при первичной рекристаллизации в малоуглеродистой стали 08пс и низколегированной стали 09Г 2С. Установлено, что по окончании первичной рекристаллизации в исследуемых сталях формируется мелкозернистая структура, при дальнейшем повышении температуры нагрева в процессе вторичной и собирательной рекристаллизации образуется крупнозернистая структура с повышенной разнозернистостью (рис. 10).

а б



Рис. 9. Зависимость напряженности магнитного поля для сталей 08пс и 09Г 2С от температуры рекристаллизационного отжига (а) и для стали 09Г 2С от числа циклов термоциклирования (б)

а б в

г д е



Рис. 10. Изменение структуры стали 08пс при рекристаллизационном отжиге, х 900: в состоянии поставки (а), после прокатки на =50 % (б), после прокатки на =50 % и отжига при 600, 700, 800 и 900 оС (в-е)

Установлено, что при магнитном контроле (рис. 9, а), в отличие от металлографического анализа, определяются стадия возврата (начало снижения ) и более ранняя стадия прохождения первичной рекристаллизации, что характеризует высокую структурную чувствительность магнитного метода и позволяет получать более мелкозернистую структуру при магнитном контроле по изменению амплитуды напряженности магнитного поля рассеяния .

Выявлены особенности формирования структуры в малоуглеродистой и низколегированной сталях с различной исходной микроструктурой (крупнозернистая, мелкозернистая, деформированная) при проведении термоциклической обработки. Установлено, что размер формирующихся зерен зависит от числа циклов, структурного состояния и химического состава сталей. Наиболее значительное измельчение исходной структуры происходит в процессе первых трех циклов, последующее их увеличение до пяти незначительно измельчает структуру, однако уменьшает разнозернистость, что подтверждается данными металлографического анализа. Уменьшение исходного размера зерен сталей повышает степень дисперсности, что особенно сказывается после проведения холодной пластической деформации.

Установлена связь между напряженностью магнитного поля рассеяния и структурными превращениями в исследуемых сталях при проведении ТЦО. Показано, что магнитный параметр зависит от числа циклов ТЦО, исходной структуры сталей и их химического состава. Максимальные изменения наблюдаются в процессе первых трех циклов, затем изменение уменьшается (рис. 9, б).

Механические испытания показали, что с увеличением числа циклов наблюдается повышение прочностных свойств исследуемых сталей, при этом пластичность остается практически неизменной. Так, предел текучести сталей 08пс и 09Г 2С с крупнозернистой структурой после проведения ТЦО повышается на 12…15 %, а предел прочности на 13…14 % соответственно, что необходимо учитывать при усилении и последующем диагностировании элементов металлоконструкций грузоподъемных кранов в опасных локальных зонах КН.

Высокая чувствительность пассивного феррозондового метода к структурным изменениям позволяет рекомендовать его применение для неразрушающего контроля металла при оценке технического состояния сварных металлоконструкций, а также контроле заводского проката в промышленных условиях.

Четвертая глава посвящена разработке и апробации методики оценки напряженно-деформированного состояния металлоконструкций эксплуатируемых грузоподъемных кранов, приведены результаты исследований влияния действующих напряжений на изменение напряженности магнитного поля рассеяния при циклическом упруго-пластическом деформировании конструкционных сталей с различной исходной микроструктурой и разработанный алгоритм оценки напряженно-деформированного состояния сварных металлоконструкций грузоподъемных кранов, предусматривающий в комплексе с другими методами разрушающего и неразрушающего контроля применение пассивного феррозондового метода.

Проведенные механические испытания в процессе ступенчатого нагружения-разгружения лабораторных образцов из исследуемых сталей в упругой области деформирования растяжением с различной исходной структурой позволили установить связь между действующими напряжениями и магнитным параметром . Показано, что с увеличением напряжений (при нагружении) значения снижаются, при уменьшении (при разгружении) напряженность магнитного поля рассеяния возрастает. При этом приращение напряженности магнитного поля рассеяния пропорционально изменению действующих напряжений (рис. 11).

а б



Рис. 11. Зависимость напряженности магнитного поля рассеяния от действующих напряжений при одноосном упругом растяжении образцов из стали 09Г 2С в состояниях поставки (а) и после отжига при 1050 оС (б)

При разгружении образцов образуется петля магнитоупругого гистерезиса, которая после первого цикла нагружение-разгружение чаще всего незамкнута. В процессе второго и последующих циклов различие начальных и конечных значений параметра становится незначительным, что свидетельствует о стирании магнитной и механической предыстории металла и способствует повышению степени достоверности последующих измерений. Показано, что растяжение образцов с мелкозернистой и деформированной (после предварительной холодной пластической деформации) структурами приводит к более значительным изменениям магнитного параметра , чем для образцов с крупнозернистой структурой.

При растяжении сталей в пластической области деформирования наблюдается обратная картина: с повышением напряжений происходит увеличение значений , при уменьшении - снижение , независимо от химического состава сталей и их структурного состояния (крупнозернистое, мелкозернистое, деформированное). При разгружении наблюдается магнитомеханический гистерезис, при этом конечные значения после разгружения из пластической области значительно отличаются от исходных (рис. 12).

а б



Рис. 12. Зависимость напряженности магнитного поля рассеяния от одноосных напряжений растяжения для упруго-пластической области деформирования образцов из стали 09Г 2С в состояниях поставки (а) и после отжига при 1050 оС (б)

Математическая обработка данных экспериментальных исследований по выявлению взаимосвязи действующих в зоне контроля напряжений и напряженности магнитного поля рассеяния на сталях марок 08пс и 09Г 2С позволила представить полученные прямые и обратные зависимости в графическом и аналитическом виде. Коэффициенты а, b, с квадратичных зависимостей

для ряда структурных состояний сталей (табл. 1) применимы на этапе технического диагностирования при оценке упругого напряженно-деформированного состояния металлоконструкций из сталей, обладающих в зонах контроля соответствующими уровнями остаточной намагниченности металла (область Рэлея) и близких к исследуемым сталям по химическому составу и свойствам.

Использование полученных частных графических и аналитических квадратичных зависимостей позволяет значительно упростить методику технического диагностирования и интенсифицировать процесс практического определения действующих напряжений в зонах концентрации напряжений при том или ином уровне нагружения металлоконструкций эксплуатируемых грузоподъемных кранов.

Таблица 1

Марка материала	08пс	09Г 2С
Структурное состояние Коэфф-ты уравнений	Поставка	Отжиг при 900 оС	Поставка	Отжиг при 1050 оС
a	-0,0191	0,0759	-0,0036	-0,0588
b	3,4978	-32,854	-0,2987	19,886
c	46,155	3545,2	222,99	-1520,5

На основе проведенных экспериментальных исследований разработан и запатентован способ определения напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов, включающий в себя ступенчатое нагружение (разгружение) изделий из ферромагнитных материалов и позволяющий по величине приращения магнитного параметра проводить оценку действующих напряжений.

Таким образом, выявленная взаимосвязь в сталях 08пс и 09Г 2С с различными исходными микроструктурами при циклическом упруго-пластическом деформировании (при ступенчатом нагружении-разгружении) может быть распространена и на другие конструкционные стали, близкие к исследуемым по химическому составу и механическим свойствам.

На основе теоретических и экспериментальных исследований разработана методика оценки технического состояния сварных несущих металлоконструкций грузоподъемных кранов, предусматривающая в комплексе с другими методами контроля применение пассивного феррозондового метода. Ее особенностью является возможность проведения как сплошного, так и выборочного магнитного контроля сварных соединений, узлов и элементов металлоконструкций, в том числе в труднодоступных местах, а также замкнутых контуров, с учетом структурного состояния и химического состава металла. При этом применение пассивного феррозондового метода позволяет выявлять локальные зоны концентрации напряжений, проводить оценку их степени опасности, а по характеру и величине приращения магнитного параметра в наиболее опасных из них - определять величины действующих напряжений, рекомендуемые к использованию в поверочных расчетах. Алгоритм оценки напряженно-деформированного состояния сварных несущих металлоконструкций эксплуатируемых грузоподъемных кранов представлен на рис. 13.

Разработанная методика оценки технического состояния металлоконструкций была апробирована при проведении технического диагностирования подкрановых путей и подкрановых балок ЗАО "Локомотив" ДО ОАО "Кировский завод" (рис. 14), что позволило повысить эффективность и производительность технического диагностирования на 20 %, сделать обоснованные выводы и дать рекомендации по дальнейшей надежной и безопасной эксплуатации.





Рис. 14. Общий вид и элементы диагностируемых подкрановых путей и подкрановых балок (ЗАО "Локомотив" ДО ОАО "Кировский завод")

Экономический эффект, полученный при сравнительном анализе применения разработанной методики оценки технического состояния сварных несущих металлоконструкций на примере 10 двухбалочных мостовых кранов грузоподъемностью 10 тонн, составил 82 тыс. руб.

Основные выводы и результаты исследований

1. Установлена связь между действующими напряжениями, структурой и величиной остаточной намагниченности в малоуглеродистой 08пс и низколегированной 09Г 2С сталях в процессе получения диаграммы растяжения в координатах нагрузка-деформация, что дает основание к применению пассивного феррозондового метода для контроля напряженно-деформированного состояния металлоконструкций. Предложена методика магнитного контроля металла с учетом неизвестной магнитной и механической предыстории металла, толщины немагнитного защитного покрытия, химического состава и структуры конструкционных сталей.

2. Выявлены особенности структурных изменений в конструкционных сталях при деформационном и термическом воздействиях и установлена взаимосвязь этих изменений с напряженностью магнитного поля рассеяния, что позволило на их основе разработать режимы получения структур с заданной степенью дисперсности, характерных для элементов металлоконструкций и сварных соединений, обладающих структурной неоднородностью, что позволяет повысить механические свойства в опасных локальных зонах КН на 12…15 %, а также способы поэтапного пассивного феррозондового контроля структурных изменений. Показана высокая структурная чувствительность и производительность магнитного метода, что позволяет рекомендовать его применение при техническом диагностировании элементов сварных металлоконструкций.

3. Установлена взаимосвязь между действующими напряжениями, структурой и напряженностью магнитного поля рассеяния при циклическом упруго-пластическом деформировании малоуглеродистых и низколегированных сталей в различном структурном состоянии. Разработаны способы косвенного определения напряжений в элементах металлоконструкций в процессе их ступенчатого нагружения-разгружения.

4. Установлено, что растяжение в упругой области деформирования приводит к уменьшению магнитного параметра , в пластической области - к повышению; снижение внешней нагрузки приводит к образованию петли магнитного гистерезиса, характер которой зависит от структуры, химического состава и степени пластической деформации металла. Учет этих закономерностей способствует повышению степени достоверности результатов оценки напряженно-деформированного состояния металлоконструкций грузоподъемных кранов.

5. Разработана и апробирована в промышленных условиях методика оценки технического состояния сварных несущих металлоконструкций грузоподъемных кранов, повышающая эффективность и производительность оценки их технического состояния на 15…20 %, и предусматривающая комплексное применение с применением комплекса приборов и методов разрушающего и неразрушающего контроля, включающая в себя этапы пассивного феррозондового контроля с целью выявления зон концентрации напряжений, оценки степени их опасности и определения в наиболее опасных из них величин действующих напряжений, используемых в поверочных расчетах.

Основные научные положения и результаты диссертационной работы отражены в публикациях

1. Гордиенко В.Е., Овчинников Н.В. Магнитный контроль металла конструкций без снятия немагнитного защитного покрытия. [Текст] / В.Е. Гордиенко, Н.В. Овчинников // Контроль. Диагностика. - 2008. - № 9. - С. 27-29.

2. Гордиенко В.Е., Овчинников Н.В., Бакшеев А.О. Зависимость напряженности магнитного поля рассеяния малоуглеродистых и низколегированных сталей от одноосных напряжений растяжения и сжатия. [Текст] / В.Е. Гордиенко, Н.В. Овчинников, А.О. Бакшеев // Контроль. Диагностика. - 2007. - № 2. - С. 60-64, 69.

3. Гордиенко В.Е., Овчинников Н.В., Бакшеев А.О. Изменение структуры и магнитных свойств малоуглеродистых и низколегированных сталей в процессе термоциклической обработки. [Текст] / В.Е. Гордиенко, Н.В. Овчинников, А.О. Бакшеев // Контроль. Диагностика. - 2007. - № 3. - С. 59-63.

4. Гордиенко В.Е., Овчинников Н.В., Бакшеев А.О. Экспериментальное исследование НДС в элементах металлических конструкций. [Текст] / В.Е. Гордиенко, Н.В. Овчинников, А.О. Бакшеев // Промышленное и гражданское строительство. - 2007. - № 2. - С. 44-45.

5. Гордиенко В.Е., Овчинников Н.В., Бакшеев А.О. Особенности оценки действующих напряжений в сварных соединениях металлических конструкций. [Текст] / В.Е. Гордиенко, Н.В. Овчинников, А.О. Бакшеев // Жилищное строительство. - 2007. - № 1. - С. 11-12.

6. Гордиенко В.Е., Овчинников Н.В., Бакшеев А.О. Влияние температуры нагрева на структуру и магнитные свойства малоуглеродистых и низколегированных сталей при рекристаллизационном отжиге. [Текст] / В.Е. Гордиенко, Н.В. Овчинников, А.О. Бакшеев // Промышленное и гражданское строительство. - 2006. - № 10. - С. 42-43.

7. Гордиенко В.Е., Овчинников Н.В., Бакшеев А.О. Структурные изменения в строительных сталях при термическом воздействии. [Текст] / В.Е. Гордиенко, Н.В. Овчинников, А.О. Бакшеев // Строительные материалы. - 2007. - № 1. - С. 66-68.

8. Гордиенко В.Е., Овчинников Н.В., Бакшеев А.О., Курочкин В.С. Визуально-оптический и измерительный контроль как средства технического диагностирования металлических конструкций зданий и сооружений. [Текст] / В.Е. Гордиенко, Н.В. Овчинников, А.О. Бакшеев, В.С. Курочкин // Вестник гражданских инженеров. - 2005. - № 4 (5). - С. 20-24.

Публикации в других изданиях

9. Гордиенко В.Е., Овчинников Н.В., Кузьмин О.В., Курочкин В.С., Бакшеев А.О. К вопросу применения пассивного феррозондового метода при оценке напряжнно-деформированного состояния сварных металлических конструкций. [Текст] / В.Е. Гордиенко, Н.В. Овчинников, О.В. Кузьмин, В.С. Курочкин, А.О. Бакшеев // Актуальные проблемы современного строительства: 62-я Междунар. науч-техн. конф. молодых ученых / С.-Петерб. гос. архитектур.-строит. ун-т. - СПб., 2009. - Ч. III. - С. 172-177.

10. Овчинников Н.В. К вопросу косвенного определения напряжений в элементах эксплуатируемых МК. [Текст] / Н.В. Овчинников // Докл. 66-й науч. конф. профессоров, преподавателей, науч. работников, инженеров и аспирантов ун-та / С.-Петерб. гос. архитектур.-строит. ун-т. - СПб., 2009. - Ч. IV. - С. 81 - 83.

11. Овчинников Н.В. К вопросу достоверности пассивного феррозондового контроля через защитные неметаллические покрытия. [Текст] / Н.В. Овчинников, // Докл. 65-й науч. конф. профессоров, преподавателей, науч. работников, инженеров и аспирантов ун-та / С.-Петерб. гос. архитектур.-строит. ун-т. - СПб., 2008. - Ч. II. - С. 138.

12. Овчинников Н.В. Особенности изменения напряженности магнитного поля рассеяния при техническом диагностировании элементов МК с немагнитными защитными покрытиями. [Текст] / Н.В. Овчинников, // Актуальные проблемы современного строительства: 61-я Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых / С.-Петерб. гос. архитектур.-строит. ун-т. - СПб., 2008. - Ч. III. - С. 137-139.

13. Овчинников Н.В., Математические модели упругого и упруго-пластического поведения материала. [Текст] / Н.В. Овчинников // Актуальные проблемы архитектуры, строительства и транспорта: 58-я Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых: сб. докл. / С.-Петерб. гос. архитектур.-строит. ун-т. - СПб., 2005. - Ч. 1. - С. 94-95.

14. Гордиенко В.Е., Овчинников Н.В., Бакшеев А.О. Регрессионный анализ взаимосвязи структурных, магнитных и механических параметров строительных сталей в процессе упруго-пластического деформирования. [Текст] / В.Е. Гордиенко, Н.В. Овчинников, А.О. Бакшеев // Актуальные проблемы современного строительства: 60-я Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых: сб. мат. конф. / С.-Петерб. гос. архитектур.-строит. ун-т. - СПб., 2007. - Ч. II. - С. 154-155.

15. Овчинников Н.В. К оценке напряженно-деформированного состояния по параметрам метода магнитной памяти металла. [Текст] / Н.В. Овчинников // Докл. 62-й науч. конф. профессоров, преподавателей, науч. работников, инженеров и аспирантов ун-та / С.-Петерб. гос. архитектур.-строит. ун-т. - СПб., 2005. - Ч. II. - С. 126-127.

16. Овчинников Н.В., Бакшеев А.О., Гордиенко В.Е. К оценке НДС сварных соединений строительных сталей методом магнитной памяти металла. [Текст] / Н.В. Овчинников, А.О. Бакшеев, В.Е. Гордиенко // Актуальные проблемы современного строительства: 59-я Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых: сб. докл. / С.-Петерб. гос. архитектур.-строит. ун-т. - СПб., 2006. - Ч. II. - С. 134-136.

17. Овчинников Н.В., Бакшеев А.О., Гордиенко В.Е. Влияние режимов термоциклической и термической обработок на структуру и магнитные свойства строительных сталей. [Текст] / Н.В. Овчинников, А.О. Бакшеев, В.Е. Гордиенко // Докл. 63-й науч. конф. профессоров, преподавателей, науч. работников, инженеров и аспирантов ун-та / С.-Петерб. гос. архитектур.-строит. ун-т. - СПб., 2006. - Ч. II. - С. 160-162.

18. Гордиенко В.Е., Бакшеев А.О., Овчинников Н.В. К вопросу оценки НДС строительных металлоконструкций с учетом кинетики коррозионных повреждений. [Текст] / В.Е. Гордиенко, А.О. Бакшеев, Н.В. Овчинников // Докл. 64-й науч. конф. профессоров, преподавателей, науч. работников, инженеров и аспирантов ун-та / С.-Петерб. гос. архитектур.-строит. ун-т. - СПб., 2007. - Ч. II. - С. 127-129.

19. Овчинников Н.В. К вопросу о техническом состоянии строительных МК при магнитном диагностировании. [Текст] / Н.В. Овчинников // Докл. 67-й науч. конф. профессоров, преподавателей, науч. работников, инженеров и аспирантов ун-та / С.-Петерб. гос. архитектур.-строит. ун-т. - СПб., 2010. Ч. III. - С. 137-139.

20. Гордиенко В.Е., Овчинников Н.В., Кузьмин О.В. К вопросу усиления элементов сварных МК восстановительной ТЦО с пассивным феррозондовым контролем структурных изменений металла [Текст] / В.Е. Гордиенко, Н.В. Овчинников, О.В. Кузьмин // Актуальные проблемы современного строительства: 63-я Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых / С.-Петерб. гос. архитектур.-строит. ун-т. - СПб., 2010. - Ч. I. - С. 95-97.

21. Гордиенко В.Е., Овчинников Н.В., Кузьмин О.В., Курочкин В.С. Механизм изменения напряженности магнитного поля рассеяния от внутренних напряжений при пластическом деформировании конструкционных сталей. // Актуальные проблемы современного строительства: 62-я Междунар. науч-техн. конф. молодых ученых (аспирантов, докторантов) и студентов: сб. докл. / С.-Петерб. гос. архитектур.-строит. ун-т. - СПб., 2009. - Ч. IV. - С. 84-85.

22. Пат. 2298772, Российская Федерация, МПК G 01 L 1/12. Способ определения остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов [Текст] / Гордиенко Е.Г., Гордиенко В.Е., Овчинников Н.В.; заявитель и патентообладатель С.-Петерб. гос. архитектур.-строит. ун-т. - № 2005137506/28; заявл. 01.12.05; опубл. 10.05.07, Бюл. № 13. - 6 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru

...