Контроль состояния конструкционного материала при технологических воздействиях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контроль состояния конструкционного материала при технологических воздействиях

Ю.И. Коротченко

ГОУ ВПО “Оренбургский государственный университет”,

Рассмотрен вопрос контроля состояния конструкционного материала непосредственно при реализации технологического процесса обработки или эксплуатации (испытаний) в составе изделия. Для решения проблемы предложено использовать акустико-эмиссионный метод неразрушающего контроля. Предложена структура системы управления состоянием конструкционного материала как сложной системы.

Ключевые слова: акустическая эмиссия, диагностика, контроль, конструкционный материал, модель, неразрушающий контроль, система управления, технологический процесс.

В промышленных технологических процессах одним из сложных объектов управления является конструкционный материал (КМ), например металл или сплав, при рассмотрении его на структурном уровне. Вместе с технологическим оборудованием и реализуемым технологическим процессом КМ входит в состав технологического объекта управления АСУТП. конструкционный акустический эмиссионный контроль

Структурная неоднородность КМ обуславливает непредсказуемость его локальных физико-механических свойств, что создает проблемы определения состояния КМ при технологических воздействиях в составе промышленных изделий, как при их изготовлении, так и при эксплуатации. Это обуславливает необходимость оперативной корректировки режимов технологического воздействия на КМ по его реальному текущему состоянию. Существующие адаптивные методы,основанные на учете температуры, давления и т.д. недостаточно эффективны. Необходимо в составе системы управления реализовать систему технического диагностирования (СТД), позволяющую на основе использования неразрушающего контроля (НК) получать объективную оперативную информацию о кинетике изменения состояния КМ на уровне изменения его структуры непосредственно при осуществлении технологических воздействий.

Поскольку рассматривается задача диагностирования КМв процессе воздействия технологических факторов, то есть без нарушения технологического процесса, для идентификации состояния КМ необходимо использовать рабочий метод диагностирования с применением пассивных методов неразрушающего контроля. Анализ существующих методов НК показал, что наиболее универсальным методом НК по отношению к различным КМ является акустический, так как акустические волны, распространяясь по всему объему любого КМ независимо от его электрических, магнитных, диэлектрических и оптических свойств, несут информацию именно о его физико-механических, в том числе и прочностных свойствах. В составе акустического метода НК имеется метод, позволяющий реализовать рабочий метод диагностирования - метод акустической эмиссии (акустико-эмиссионный метод). Акустическая эмиссия (АЭ) представляет испускание объектом контроля (ис-пытаний) акустических волн. Для КМ - это акустическая эмиссия, вызванная локальной динамической перестройкой структуры материала. Основным источником АЭ является кинетика изменения структуры КМ. Чувствительность метода АЭ значительно превосходит чувствительность других методов [1]. Предельная чувствительность акустико-эмиссионной аппаратуры позволяет выявить по расчетным оценкам скачок трещины протяженностью один микрометр на величину одного микрометра. В производственных условиях метод АЭ позволяет выявить приращение трещины на десятые доли миллиметра. Дистанционность контроля достигает нескольких метров на каждый датчик - преобразователь АЭ (ПАЭ). Метод применим для реализации акустико-эмиссионной системы технического диагностирования (АЭСТД) как в лабораторных, так и в промышленных условиях.

Модель системы управления (СУ) КМ на основе АЭСТД (рис.1) состоит из двух контуров - контура уровня технологического оборудования (ТО) и контура структурного уровня КМ (на схеме показан утолщенными линиями). В контур управления технологическим оборудованием входят измерительные преобразователи параметров технологического оборудования (ИППТО), измерительные устройства (ИУ1, ИУ2), вычислительное устройство (ВУ). На основе задающего воздействия G, параметров модели технологического оборудования (МТО), параметров квазиадекватной модели КМ (КАМКМ) (получается на основе разрушающих испытаний серии образцов КМ с последующим усреднением результатов), величины возмущающего воздействия F1 и текущих параметров ТО X1 вычислительное устройство вырабатывает управляющее воздействие U1, подаваемое через устройство согласования (УС) на ТО, которое оказывает технологическое воздействие на КМ.

Отсутствие адекватной модели КМ на структурном уровне вносит погрешность в процесс управления состоянием КМ. Возмущающее воздействие F2 в этом случае представляет собой тот неизвестный разброс параметров структуры КМ, которыйне поддается априорному учету.

Рис. 1. Структурная схема СУ КМ на основе АЭСТД

Поэтому в СУ вводится второй контур (уровень структуры КМ), в который входит преобразователь АЭ (ПАЭ), получающий информацию об изменении структуры КМ и передающий ее в АЭСТД. Вырабатывая оперативную информацию о текущем реальном состоянии КМX2, АЭСТД передает ее в ВУ, что позволяет корректировать величину управляющего воздействия на ТО и соответственно итогового управляющего воздействия U2 на КМ, обеспечивая уменьшение погрешности управления. УВПУ - устройство, вырабатывающее пороговые уровни для настройки АЭСТД в зависимости от величины задающего воздействия Gи информации, содержащейся в ДМКМ - диагностической модели КМ, которая строится на основе предварительных исследований конкретного КМ методом АЭ. Аналитически данную модель СУ можно представить в виде:

Y=S(U2(U1(G,PMTO,PКАМКМ,F1,X1,X2(PАЭСТД(G,F2,PДМКМ))))),

где, PMTO; PКАМКМ; PАЭСТД; PДМКМ - параметры соответствующих структурных элементов модели СУ.

Испытания на одноосное растяжение образцов жаропрочного сплава ЭИ-698 (ХН73МБТЮ) на основе никеля (Tэксп=750?С), применяемого для изготовления дисков газовых турбин, как наименее исследованного методом АЭ, проведенные с использованием АЭСТД на основе разработанного прибора ИЧИ-1М [2,3], позволили установить наличие связи между прочностным параметром сплава и параметром АЭ. Коэффициент парной корреляции между пределом прочности сплава и скоростью счета АЭ - r = 0,84 при уровне значимости нулевой гипотезы p = 0,000003, что подтверждает наличие тесной связи между этими параметрами. Таким образом, скорость счета АЭ можно использовать в качестве информативного параметра в ДМКМ. Для разработки диагностической модели КМ - ДМКМ сплава ЭИ-698 на основе скорости счета АЭ использован метод наименьших квадратов. В результате регрессионного анализа получено уравнение (диагностическая модель конструкционного материала - ДМКМ):

ув=6,06+1,37у2,

где, ув- предел прочности, у2- напряжение 0,1 уровня на срезе графика скорости счета АЭ на площадке текучести.

Адекватность полученной модели подтверждается нормальным видом распределения остатков регрессионного анализа и относительной погрешностью модели не превышающей 0,025. Полученная модель может быть использована для идентификации состояния КМ при технологических воздействиях в составе системы управления.

Исследования, проведенные с использованием АЭСТД на основе разработанного прибора позволили реализовать акустико-эмиссионный способ контроля состояния КМ - сплава ЭИ - 698, ферромагнитных и сегнетоэлектрических материалов [4,5], узлов газопромыслового оборудования [6].

Предложенный подход позволит улучшить качество обработки изделий из различных КМ особенно при проведении ремонта деталей промышленных установок, работавших в агрессивной среде, когда структура исходного КМ в процессе эксплуатации существенно изменяется, а априорно учесть эти изменения практически невозможно. К таким изделиям, прежде всего, относятся установки нефтяной и газовой промышленности, работающие, в частности, с сероводородом и другими агрессивными средами. Актуальность подхода проявляется и при обеспечении автоматизации контроля состояния КМ в составе промышленных изделий в процессе их эксплуатации и испытаний.

Библиографический список

1. Неразрушающий контроль и диагностика: справочник / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, В.Н. Филинов и др.; под ред. В.В. Клюева - М.: Машиностроение, 1995.- 448 с.

2. Устройство для измерения интенсивности случайных сигналов / Жураковский Л.А., Коротченко Ю.И., Узенбаев Ф.Г. и др. // Приборы и техника эксперимента.- 1979.- № 2.- С. 285.

3. Аппаратура для исследования физико-механических свойств материалов методом акустической эмиссии / Л.А. Жураковский, Ю.И. Коротченко, Ф.Г. Узенбаев и др. // Заводская лаборатория. - 1979. - Т. 45, № 3. - С. 240 - 241.

4. Акустическая эмиссия в процессе перестройки доменной структуры / Л.А. Жураковский, Н.В. Квасов, Ю.И. Коротченко и др. // Изв.вузов, Физика. - 1978. - № 11. - С. 157.

5. Коротченко, Ю.И.Диагностирование состояния структуры конструкционных материалов, обладающих доменной структурой. / Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: Материалы Шестой Всерос. научно-практической конф. (с международным участием). - Оренбург: ОГУ, 2007. - C.387-389.

6. А.с. 922624 СССР, МКИ3 G 01 N 29/04. Акустико-эмиссионный способ контроля узлов газопромыслового оборудования / Л.А. Жураковский, Ю.И. Коротченко, Н.В. Квасов, В.Н. Летягин, В.А. Петров, А.Я. Третьяк, Ф.Г. Узенбаев, Н.В. Холзаков (СССР). - №2932596/25-8 ; заявл. 23.05.80 ; опубл. 23.04.82, Бюл. № 15. - 2 с.

Размещено на Allbest.ru