Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МІЦНОСТІ ІМ. Г.С. ПИСАРЕНКА

УДК 620.178.15/179.119

РОЗРОБКА ТА НАУКОВЕ ОБГРУНТУВАННЯ ЕФЕКТИВНОГО МЕТОДУ КОНТРОЛЮ СТАНУ МЕТАЛУ ЗА ПАРАМЕТРАМИ РОЗСІЯННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДОСТІ

Спеціальність 01.02.04 - Механіка деформівного твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Волчек Наталя Леонідівна

Київ - 2003



Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України, м. Київ.

Науковий керівник академік НАН України, доктор технічних наук, професор Лебедєв Анатолій Олексійович Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України (м. Київ), головний науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор технічних наук Чаусов Микола Георгійович Національний аграрний університет України (м. Київ), завідуючий кафедрою “Опір матеріалів”

кандидат технічних наук, Стасюк Софія Зіновіївна Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України (м. Київ), старший науковий співробітник

Провідна установа: Національний технічний університет України “КПІ”

Захист відбудеться 12.12.2003 року о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.241.01 в Інституті проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України за адресою 01014, м. Київ, вул. Тімірязєвська, 2.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Іституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України.

Автореферат розіслано 11.11.2003 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор Карпінос Б.С.



АНОТАЦІЇ

Волчек Н.Л. Розробка та наукове обгрунтування ефективного методу контролю стану металу за параметрами розсіяння характеристик твердості.- Рукопис. трубопровід механічний гомогенність твердість

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04 - механіка деформівного твердого тіла.- Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України, м. Київ, 2003.

Розроблено та науково обгрунтовано новий метод оцінки деградації структурного стану матеріалів внаслідок накопичення пошкоджень в процесі напрацювання (метод LM-твердості). Суть методу полягає в тому, що про зміни структурного стану матеріалу судять по розсіянню характеристик його механічних властивостей, в даному випадку, твердості. В якості параметру, що адекватно характеризує ступінь пошкоджуваності матеріалу запропоновано використовувати коефіцієнт гомогенності по Вейбулу або коефіцієнт варіації. Досліджено стан структурно-неоднорідних матеріалів та запропоновано модель їх розпушування. Розроблено та реалізовано модель трубопроводу, що дозволяє розглядати експериментальні дані, які одержані на різних трубопроводах після їх експлуатації різної тривалості, як результати дослідження стану металу деякого віртуального трубопроводу на окремих стадіях експлуатації. Проведено зіставлення експериментальних даних методом LM-твердості та іншими методами оцінки пошкоджуваності матеріалу.

Ключові слова: сталь, чавун, пошкоджуваність, деградація, розсіяння характеристик твердості, коефіцієнт гомогенності по Вейбулу, коефіцієнт поперечної деформації, дефект модуля, залишковий ресурс.



Волчек Н.Л. Разработка и научное обоснование эффективного метода контроля состояния металла по параметрам рассеяния характеристик твердости.-Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04 - механика деформированного твердого тела.- Институт проблем прочности им. Г.С. Писаренко НАН Украины, г. Киев, 2003.

Диссертация посвящена разработке и научному обоснованию нового неразрушающего метода контроля состояния металла в процессе накопления повреждений при наработке (метод LM-твердости). Показано, что более информативными при оценке состояния структуры материала являются не абсолютные значения характеристик механических свойств, а некоторые производные от них, а именно рассеяние результатов при массовых измерениях твердости. В качестве параметра, адекватно характеризующего рассеяние, и, следовательно, степень поврежденности материала, предложено использовать коэффициент гомогенности по Вейбуллу или коэффициент вариации.

Предложена модель разрыхления структурно-неоднородных материалов, в которой поврежденности ставится в соответствие коэффициент поперечной деформации, проведено сопоставление результатов расчета по предложенной модели, разработанным методом LM-твердости и другими методами, в том числе по дефекту модуля. Показано, что метод LM-твердости более прост, достаточно точен, его реализация не требует изготовления специальных образцов и дорогостоящего оборудования.

Разработана и реализована модель трубопровода, основанная на допущении, что экспериментальные данные о степени поврежденности, полученные на близких по механическим свойствам и химическому составу сталях разных трубопроводов после их эксплуатации различной длительности, могут рассматриваться как результаты исследования состояния металла одной трубы в составе некоторого виртуального трубопровода на разных стадиях эксплуатации. Проведено сопоставление результатов исследований металла труб методом LM-твердости с результатами измерений методом акустической эмиссии. Полученные данные свидетельствуют об их удовлетворительной корреляции.

Ключевые слова: сталь, чугун, поврежденность, деградация, рассеяние характеристик твердости, коэффициент гомогенности по Вейбуллу, коэффициент поперечной деформации, дефект модуля, остаточный ресурс.



Volchek N. L. Development and scientific justification of an efficient method for metal state control by the scatter parameters of the characteristics of hardness.- Manuscript.

Thesis for the degree of a Candidate of Technical Science in speciality 01.02.04. - mechanics of a deformable solid body.- G. S. Pisarenko Institute for Problems of Strength of the National Ac. Sci. of Ukraine, Kyiv, 2003.

A new method for the evaluation of degradation of the material structural state due to damage accumulation in the course of operation (LM-hardness method) has been devised and justified from the scientific standpoint. The main idea of the method is that changes in the structural state of a material are judged from the scatter in the characteristics of its mechanical properties, hardness in this case. It is proposed to use the Weibull coefficient of homogeneity or the coefficient of variation as a parameter that characterizes adequately the degree of the material damaging. The state of structurally inhomogeneous materials has been studied and a model for their loosening has been proposed. A pipeline model has been developed and realized, which makes it possible to consider the experimental data obtained for different pipelines after various operation times as the results of investigation of the state of the metal of a virtual pipeline at individual stages of operation. The experimental data obtained by the LM-hardness method are compared with those obtained by other methods for the evaluation of the material damage.

Key words: steel, cast iron, accumulated damage, degradation, scatter in hardness characteristics, Weibull coefficient of homogeneity, coefficient of transverse strain, defect of modulus, remaining life.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Пошкодження, що накопичуються в матеріалі за час експлуатації конструкції, а також початкові технологічні дефекти є основною причиною її передчасної відмови.

В середині минулого століття широкий розвиток, як в практичному, так і в теоретичному плані проблеми руйнування, отримала механіка тріщин. Нажаль, явищу накопичення пошкоджень на мікрорівні приділялося мало уваги, хоча вивчення цієї стадії дає можливість прогнозувати формування небезпечних дефектів, попередити непередбачувані відмови та, відповідно, подовжити термін служби діючих виробів.

В процесі деформування матеріалу на початковій стадії відбуваються глибокі зміни структури внаслідок утворення розривів у субмікро- та мікрооб'ємах, виділення нових фаз і т.п. Виникнення мікротріщин часто призводить до втрати несівної спроможності конструкції. Для попередження небезпечного стану розробляються різні методи оцінки деградації стуктури матеріалу, де в якості фізичних параметрів, що корелюють з пошкодженістю, приймають внутрішнє тертя, дефект модуля пружності, різницю між модулями при розтязі та стиску, електроопір та інше. До таких методів слід віднести також метод акустичної емісії, рентгенографічний, тепловий, гідростатичного зважування та інші. Але, крім переваг, ці методи мають свої недоліки, серед яких, наприклад, необхідність виготовлення спеціальних зразків, що пов'язане з локальним руйнування досліджуваної конструкції та, недостатня точність та інші.

Таким чином, актуальними в науковому та практичному напрямках залишаються розробка нових науково обгрунтованих методів оцінки деградації матеріалу та дослідження процесів накопичення пошкоджень в матеріалі, в тому числі без руйнування досліджуваної конструкції.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. В работі узагальнені результати, отримані автором при виконанні НДР 1.3.4.-252 (Постанова Бюро ВМ НАН України від 17.11.02 р., протокол №8) та Цільової програми НАН України з приорітетного напрямку развитку науки і техніки “Фундаментальні дослідження з найважливіших проблем природничих, суспільних і гуманітарних наук” на 2002-2006 роки (Постанова Бюро ВМ НАН України від 12.03.02 р., протокол №2).

Мета і задачі дослідження. Розробка та наукове обгрунтування ефективного методу дослідження закономірностей деградації металевих конструкційних матеріалів та апробація його в умовах короткочасного, довготривалого статичного та циклічного навантажень.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішувались наступні наукові задачі:

проведення критичного аналізу існуючих методів оцінки структурного стану матеріалу;

обгрунтування параметрів, що адекватно характеризують ступінь відносної пошкоджуваності матеріалу;

пропонування ефективного науково обгрунтованого і доступного методу визначення цього параметру;

проведення досліджень деградації різних конструкційних матеріалів запропонованим методом в різних умовах роботи.

Об'єкт дослідження - конструкційні матеріали різних класів та несівні елементи технічних виробів, методи дослідження їх пошкодженості.

Предмет і мета дослідження - механічні властивості матеріалу, статистична обробка результатів випробувань і обгрунтування найбільш показових параметрів їх розсіяння, розробка методу ефективного використання цих параметрів для оцінки ступеню деградації матеріалу.

Наукову новизну роботи складає розроблений та науково обгрунтований неруйнівний метод оцінки стану матеріалу та цикл досліджень, в результаті яких:

запропонована та науково обгрунтована методика визначення пошкодженості матеріалу за параметрами розсіяння його механічних властивостей, де в якості параметру, що характеризує ступінь пошкоджуваності матеріалу використовується параметр гомогенності за Вейбулом або коефіцієнт варіації, які визначаються за результатами масових замірів твердості металу;

досліджено розробленим методом рівень пошкоджуваності конструкційних сталей в процесі деформування; за даним аналізу стану матеріалу реальних труб діючих газопроводів побудовано модель віртуального трубопроводу, яка дозволила дослідити процес накопичення пошкоджень у металі труб за 48 років та дати прогноз деградації металу на подальший строк експлуатації;

запропоновано модель розпушування структурно-неоднорідних матеріалів; виявлені відповідні закономірності та здійснений порівняльний аналіз параметрів, що пов'язані з розпушуванням;

проведено порівняльний аналіз даних із оцінки пошкоджуваності матеріалу, що отримані за допомогою розробленого методу та іншими методами (метод акустичної емісії та за по дефектом модуля).

Практичне значення одержаних результатів. Розроблений і науково обгрунтований неруйнівний метод оцінки стану матеріалу конструкції внаслідок накопичення пошкоджень (метод LM-твердості), який може бути реалізований безпосередньо на досліджуваному об'єкті за допомогою переносних твердомірів. Одержані якісно нові результати, які свідчать про те, що метод можна використовувати для оцінки рівня пошкоджуваності матеріалів різних класів. Метод в користуванні простий, не потребує високої кваліфікації оператора, його реалізація підсильна любій заводській лабораторії.

Достовірність отриманих в роботі результатів забезпечується використанням проатестованого обладнання та спеціально розроблених програм розрахунків експериментальних даних , порівнянням результатів досліджень із результатами, що отримані іншими методами.

Особистий внесок здобувача полягає в:

проведенні критичного аналізу з досліджуваної проблеми та патентного пошуку методів досліджень;

розробці та реалізації програми експериментальних досліджень;

розробці методики розрахунку параметрів розсіяння результатів масових випробувань;

проведенні розрахунку параметрів розсіяння структурно-неоднорідних матеріалів та їх співставлення з результатами випробувань іншими методами;

виконанні основної роботи з реалізації ідеї побудови віртуального трубопроводу.

Апробація результатів роботи. Результати дисертаційної роботи доповідались на XIII Петербурзьких читаннях з проблем міцності(12-14 березня 2002р., м. Санкт-Петербург); на IV Міжнародній конференції “Наука на рубеже веков: Достижения и вызовы времени” (4-8 листопада 2002р., м. Київ); на II Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених та спеціалістів “Зварювання та суміжні технології” (25-27 червня 2003р., м. Київ); на науково-практичній нараді “Академічна наука - залізничному транспорту України” (26 червня 2003р., м. Київ); на тематичних семінарах Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України “Втома, термовтома та механіка руйнування” і “Статична міцність”.

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано в восьми друкованих роботах, серед яких 1 патент України.

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається з вступу, трьох розділів, основних висновків, списка використаних джерел із 132 найменувань та вміщує 112 сторінок друкованого тексту, 27 малюнків і 1 додаток.



ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі висвітленні основні питання, що стосуються теми дисертаційної роботи, обгрунтовано її актуальність, викладено анотований зміст роботи.

В першому розділі проведено аналіз літературних джерел із основних питаннь, які розгляаються в дисертаційній роботі. Розглянуто стадії структурних змін у матеріалі в процесі деформування. Особливу увагу приділено процесам накопичення пошкоджень, що відбуваються на початковій стадії деформування, а також питанню “залічування” дефектів.

Проведено критичний аналіз існуючих методів оцінки пошкодженості матеріалів, приділено увагу методам неруйнівного контролю, в тому числі методу твердості, що широко використовується на практиці. Розглянуто моделі, що дозволяють описувати процес накопичення розсіяних пошкоджень. Сформульовані основні висновки, мета і задачі досліджень.

У другому розділі проведено критичний аналіз методів твердості як ефективних засобів дослідження деградації матеріалу. Описано новий метод оцінки деградації структурного стану матеріалів внаслідок накопичення пошкоджень в процесі напрацювання. Спеціально проведені дослідження показали, що більш інформативними при оцінці стану структури слід вважати не абсолютні значення характеристик властивостей матеріалу, а деякі похідні від них, а саме, розсіяння результатів випробувань, що виконані на однакових зразках в ідентичних умовах. Фізичне обгрунтування запропонованого методу полягає в тому, що про зміни структурного стану матеріалу судять по розсіянню характеристик його механічних властивостей.

Механічний аспект практичного використання цієї ідеї полягає у виборі параметра, який інтегрально характеризує структурний стан матеріалу щодо його гомогенності та в обгрунтуванні раціонального методу обробки результатів масових випробувань на твердість із метою його визначення.

Оцінку структурної неоднорідності матеріалу проводили, застосовуючи розподіл Вейбула:

(1)

де Р(у) - ймовірність неруйнування зразка; m, k - параметри розподілу.

Коефіцієнт гомогенності, що відображає ступінь розсіяння характеристик досліджуваної властивості, знаходили за формулою Гумбеля, яка стосовно випробувань на твердість має вигляд:

. (2)

Тут d(n) - параметр, що залежить від числа випробувань n, при цьому n повинно бути не менше 15,

середнє значення логарифмів твердості.

Для апробації методу досліджували трубну сталь Х46 (виробництво Франції) в початковому стані та після тривалої (більш 20 років) експлуатації, трубну сталь 17Г1С в початковому стані та після напрацювання в умовах циклічного навантаження при знакозмінному згині.

Дослідження проводили на різних масштабних рівнях. Твердість визначали за стандартною методикою на твердомірі Вікерса. Мікротвердість визначали на приладі ПМТ-3 з алмазним індентором у формі чотиригранної піраміди з кутом між протилежними гранями 136⁰. Нанотвердість визначали на приладі Nano Indenter II, фірми MTS Systems Inc., з тригранним індентором Берковича.

Напрацювання, як видно з рис. 1, призводить до підвищення твердості на всіх рівнях: на 7,9% - макротвердості (HV), на ~20% - мікротвердості (H_m) та нанотвердості (H_n). Значення коефіцієнта гомогенності, що пов'язане з розсіянням характеристик макротвердості, знизилось в процесі напрацювання більш ніж на 35%, а за даними вимірювань мікротвердості і нанотвердості залишилось практично без змін. При напрацюванні спостерігається підвищення середніх значень мікротвердості та нанотвердості. Але цей факт є скоріше винятком, ніж закономірністю.

Якісно аналогічні результати, що свідчать про більш високу чутливість до напрацювання характеристик розсіяння твердості, ніж осереднені значення її абсолютних величин, отримані і на матеріалах, що випробувались при змінному навантаженні.

Так результати досліджень сталі 17Г1С після напрацювання при змінних напруженнях показали, що при роботі в умовах циклічного навантаження твердість зростає несуттєво, причому на її приріст в більш значній мірі впливає рівень напружень, ніж тривалість напрацювання. Більш помітні зміни коефіцієнту гомогенності. Це свідчить про те, що процес накопичення пошкоджень відбувається значно інтенсивніше при напруженнях 35 МПа, досягає свого критичного значення і в момент руйнування складає майже половину від початкового стану. При напруженнях 28 МПа він зменшився не більш ніж на 10%, не дивлячись на те, що матеріал піддавали 10⁷ циклам навантажень (без руйнування).

У третьому розділі наведені результати дослідження методом LM-твердості стану конструкційних сталей, структурно-неоднорідних матеріалів та трубних сталей після тривалої експлуатації в системі трубопроводів, а також проведене порівняння запропонованого метода з іншими методами оцінки пошкодженості матеріалу.

Дослідження сталей (маловуглецевої сталі Ст3 та низьколегованої сталі 20ХН3А) показало, що накопичення пошкоджень в матеріалі добре корелює з параметром Вейбула (2). Твердість при короткочасному статичному навантаженні практично не змінюється при суттєвій зміні параметра Вебула, інтенсивність зміни якого з підвищенням відносного звуження, тобто деформування, зростає.

Дослідження структурно-неоднорідних матеріалів проводили на чавуні СЧ15. Для цього з однієї заготовки спеціально виготовляли одно- та чотириступінчаті зразки. Випробування зразків здійснювали на розривній машині кінематичного типу з записом діаграм деформування Dl=f₁(P) і Dd=f₂(P). При монотонному навантаженні зразок доводили до руйнування. Заміри твердості металу проводили на кожній ступені зразка, що зазнав різні стадії деформування. За результатами 25-30 замірів твердості знаходили характеристики розсіяння отриманих значень для деформованого металу: коефіцієнт гомогенності за Вейбулом і коефіцієнт варіації.

В процесі деформування чавуну відбувається відносна зміна його об'єму.

, (3)

або

. (4)

Причому об'ємна залишкова деформація (q_зал) реалізується за рахунок незворотного росту пор. Приймається допущення, що пори ростуть у напрямку прикладення зусилля і не впливають на коефіцієнт поперечної деформації, тому м_р=0. Звідси и_зал=е_р і рівняння (4) перепишеться у вигляді



(5)

При деформуванні пластичних матеріалів пружні деформації відносно пластичних малі, тому ними можна знехтувати. Тоді отримуємо для цих матеріалів модель розпушування:

(6)

За результатами випробувань одноступінчатих зразків в умовах монотонного навантаження до руйнування будували діаграму деформацій та залежність коефіцієнта поперечної деформації від ступіню деформування. Модуль пружності чавуну при різних ступенях деформування і відповідні їм пружні та залишкові деформації знаходили за результатами випробувань з періодичним неповним розвантаженням. Методика випробувань чотириступінчатих зразків та обробка їх результатів полягала в наступному. Зразки деформували в тому ж режимі, що й одноступінчаті. В момент руйнування зразка напруження в металі першої ступені (d=10мм) дорівнювали границі міцності матеріалу, а в металі інших ступеней рівні діючих напружень були обернено пропорційні площам їх поперечного перетину. Відповідні цим напруженням модулі пружності, повні та залишкові деформації знаходили за діаграмами у(е) та Е(е). Були побудовані залежності пружної е_пр та залишкової е_зал деформацій від загальної деформації е в процесі монотонного статичного навантаження. Ці дані з характеру зміни коефіцієнта поперечної деформації дозволяли за допомогою співвідношення (5) визначити ступінь розпушування матеріалу на різних стадіях навантаження. Зіставлення розрахункових значень е_р з відповідними значеннями залишкової деформації е_зал показало, що їх величини практично збігаються. Отже, розпушування чавуну пов'язано тільки з ростом пор і майже не супроводжується пластичним деформуванням матриці.

Залежність коефіцієнтів m і н від величини повної залишкової деформації показані на рис. 4, з якого видно, що ці залежності суттєво нелінійні, причому діапазон зміни коефіцієнту варіації при зростанні деформації е до її граничного значення, яке відповідає руйнуванню зразка, більш ніж в три рази перевищує діапазон змін коефіцієнта гомогенності по Вейбулу. Це свідчить про більшу чутливість коефіцієнта н до росту пошкоджень.

Характер зміни модуля нормальної пружності Е при деформуванні супроводжується зростанням дефекта модуля пружності

ДЕ'=Е-Е', (7)

де Е,Е' - початкове та поточне значення модуля.

Співвідношення цих параметрів (ДЕ'/ Е') має лінійний зв'язок з загальною деформацією та з точністю до коефіцієнта дорівнює е_р, а саме ДЕ'/ Е'=2,5 е_р. Отже, співвідношення параметрів m/н має лінійну кореляцію з параметрами пошкодженості е_р та ДЕ'/ Е'.

Методом LM-твердості досліджували стан металу труб, що виготовлені з низьколегованих кремнемарганцевих трубних сталей (17Г1С, 17ГС та 13030 - чехословацького виробництва) після напрацювання різної тривалості (від 15 до 48 років) в системі газопроводів, що експлуатуються в Україні.

Проби металу для випробувань були взяті з лінійних ділянок тільки з тих діючих газопроводів, для яких збереглися резервні труби (без напрацювань). Основні механічні характеристики сталей були в межах: у_в=490-550МПа, у_0,2=340-355МПа, д>22%, КСU=0,34…0,40МДж/м². В початковому стані хімічний склад металу труб за даними вимірювань на скануючому мікроскопі “Camscan” був в межах, які регламентовані сертифікатом на поставку сталі 17ГС. Зміни хімічного складу за час експлуатації не перевищували допустимих похибок для вимірювальної апаратури.

Однакова природа та споріднений хімічний склад сталей за основними елементами дає підстави розглядати експериментальні дані, які одержані на різних трубопроводах після їх експлуатації різної тривалості, як результати дослідження стану металу однієї труби в складі деякого віртуального газопроводу на різних стадіях експлуатації. Такий підхід, як показано нижче, дозволяє встановити, принаймні якісні закономірності деградації в процесі напрацювання металу труб із сталей вказаного класу.

Модель, що розглядається, базується на припущенні про відносно однакові умови механічного навантаження труб і відносно однакові параметри температурно-хімічних впливів. Природно, що ці припущення, строго кажучи, не виконуються, чим і пояснюються помітні відхилення експериментальних результатів від відповідних середньостатистичних значень. Але такий підхід дозволяє достатньо чітко простежити основні тенденції процесу деградації властивостей металу труб.

В процесі експлуатації твердість металу труб різних трубопроводів, як видно з, може як збільшуватися так і зменшуватися. Причину цієї неоднозначності на сьогодні встановити важко, тим більше фізично обгрунтувати. Проте цей експериментально встановлений факт сам по собі має велике практичне значення - він є прямим доказом того, що твердість не завжди можна вважати параметром, зміна якого адекватно віддзеркалює трансформації в металі, тобто його деградацію.

Більш інформативними є дані з розсіяння характеристик твердості металу в початковому стані та після напрацювання, що оцінюються коефіцієнтом варіації. Вони свідчать про те, що в початковому стані метал труб можна вважати порівняно однорідним. Однак середні значення коефіцієнта варіації металу внутрішнього шару вище, ніж зовнішнього, що свідчить про його порівняно високу пошкодженість в початковому стані.

Саме це є, очевидно, однією з головних причин більш інтенсивного росту в процесі напрацювання коефіцієнта варіації внутрішнього шару н_вн порівняно з коефіцієнтом варіації зовнішнього шару н_зовн. Отримані зміни коефіцієнтів варіації в процесі напрацювання добре апроксимуються наступними рівняннями регресії:

для металу зовнішнього шару

, (8)

для металу внутрішнього шару

. (8а)

Різне збільшення коефіцієнтів н_вн та н_зовн в процесі роботи газопроводу особливо помітне після 25 років експлуатації, коли деградація металу внутрішньго шару відбувається більш інтенсивно. Так, якщо за перші 25 років роботи коефіцієнти н_вн та н_зовн зросли відповідно з 1,14 до 1,63 та з 1,90 до 2,27, то за подальші 25 років, виходячи з апроксимуючих кривих, вони відповідно досягнуть значень 3,41 та 5,84. При цьому коефіцієнт н_вн збільшуватиметься значно швидше, ніж коефіцієнт н_зовн. На рис. 8 показана крива, що характеризує зріст співвідношення н_вн/н_зовн за весь період експлуатації газопроводу з прогнозом до 60 років. Видно, якщо пошкодженість металу внутрішнього шару в початковому стані перевищує пошкодженість металу зовнішнього шару приблизно на одну третю, то к 60 рокам експлуатації перевищуватиме майже в два рази. Результати вимірювань методом LM-твердості знаходяться в задовільній кореляції з даними досліджень стану металу труб методом акустичної емісії.

Таким чином, отримані дані показують, що за характеристиками твердості металу не можна судити про його поточний стан, отже, прогнозувати зміни властивостей металу труби в процесі експлуатації. Більш інформативними є характеристики розсіяння властивостей металу, а саме коефіцієнт варіації або коефіцієнт гомогенності за Вейбулом. Стосовно діагностики металу трубопроводів без їх руйнування до найбільш придатних слід віднести метод LM-твердості, що базується на розсіянні характеристик твердості.



ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі узагальнені результати комплексних досліджень, що направлені на підвищення ефективності і точності методів неруйнівного контролю стану металевих конструкційних матеріалів в процесі напрацювання при короткочасному, тривалому статичному і циклічному навантаженнях. Основні результати виконаного дослідження призводять до наступного.

Метод твердості, що застосовується при технічному контролі стану металу діючих виробів, є слабочуттєвим до трансформації структури металу в процесі напрацювання.

Представлене нове рішення важливої науково-технічної задачі - запропонований ефективний метод контролю структурного стану металу за ступенем розсіяння його фізико-механічних властивостей.

Розроблений, науково та експериментально обгрунтований новий неруйнівний метод оцінки відносної пошкодженості матеріалу за розсіянням його характеристик твердості (метод LM-твердості). В якості параметру розсіяння запропоновано використовувати коефіцієнт гомогенності за Вейбулом, який визначається за формулою Гумбеля, або коефіцієнт варіації.

Досліджено кінетику розсіяння характеристик твердості (в тому числі мікро- і нанотвердості) вуглецевих конструкційних сталей при статичному та циклічному навантаженнях. Показано, що для вирішення технічних задач характеристики мікро- і нанотвердості є менш інформативними. За даними розсіяння характеристик макротвердості деградація властивостей в процесі напрацювання при монотонному статичному навантаженні відбувається в безперервно зростаючому темпі, а при циклічному навантаженні нелінійно залежить від рівня напружень.

Запропонована модель розпушування сірого чавуну в процесі деформування. Результати розрахунків за цією моделью добре відповідають результатам спеціально проведених досліджень, корелюють зі зміною модуля нормальної пружності та результатами випробувань чавуну методом LM-твердості. Кореляція між указаними параметрами, яка отримана, свідчить про фізичну несуперечливість використаних передумов та достовірність результатів проведених досліджень.

Методом LM-твердості отримано великий масив даних про стан металу труб лінійних ділянок більше десяти діючих газопроводів України після напрацювання від 15 до 48 років. На підставі даних про стан труб із подібних по хімічним і механічним властивостям металу побудовано модель віртуального трубопроводу, що дозволяє зробити якісні та кількісні оцінки кінетики накопичення розсіянних пошкоджень в металі труб і зробити прогноз їх розвитку в процесі подальшої експлуатації виробів.

Показано, що деградація властивостей матеріалу відбувається значно інтенсивніше з внутрішньої сторони труби і, судячи зі значень параметрів розсіяння характеристик твердості, що прогнозуються, за 60 років експлуатації трубопроводу вона буде перевищувати деградацію металу зовнішнього шару майже в два рази. Це свідчить про необхідність розробки надійних засобів отримання достовірної інформації про стан внутрішнього шару металу труб.



СПИСОК ПРАЦЬ

Лебедєв А.О., Музика М.Р., Волчек Н.Л. Определение поврежденности конструкционных материалов по параметрам рассеяния характеристик твердости//Пробл. міцн.-2002.-№4.-С.5-12.

Здобувачем розроблено та реалізовано програму експериментальних досліджень. Проведено експериментальне дослідження розсіяння характеристик твердості металу після напрацювання.

Лебедєв А.О., Музика М.Р., Волчек Н.Л., Недосека С.А. Контроль текущего состояния металла труб действующих газопроводов. Метод исследования и результаты//Пробл. міцн.-2003.-№2.-С.29-36.

Здобувачем розроблено методику розрахунку параметрів розсіяння масових випробувань, за допомогою яких проведено оцінку деградації структурного стану металу труб. Виконані основні роботи з реалізації ідеї віртуального трубопроводу.

Лебедєв А.О., Недосека С.А., Музика М.Р., Волчек Н.Л. Оценка состояния металла труб после длительной эксплуатации в системе магистральных газопроводов//Техн. діагностика и неруйнівн. контроль.-2003.-№2.-С.3-8.

Проведено зіставлення результатів досліджень, отриманих здобувачем за допомогою метода LM-твердості, з результатами досліджень методом акустичної емісії.

Лебедєв А.О., Музика М.Р., Волчек Н.Л. Новый метод оценки деградации материала в процессе наработки//Залізничний транспорт України.-2003.-№5.-С.30-33.

Здобувачем проведено оцінку деградації матеріалу методом LM-твердості.

Патент 52197А, МКИ7, G 01 N 3/00, G 01 N 3/40. Спосіб оцінки деградації матеріалу внаслідок накопичення пошкоджень в процесі напрацювання. “LM-метод твердості”/А.О. Лебедєв, М.Р. Музика, Н.Л. Волчек.-Опубл. 15.01.03. Бюл. №1.

Здобувачем проведено критичний аналіз із досліджуваної проблеми та патентний пошук методів досліджень. Запропоновано проводити оцінку пошкоджуваності матеріалу за розсіянням фізико-механічних характеристикі.

Лебедєв А.О., Музика М.Р., Волчек Н.Л. Исследование деградации металла в процессе наработки методом LM-твердости//В кн.: Тези доповідей міжнар. конфер. “Наука о материалах на рубеже веков: Достижения и вызовы времени”.-Киев, 2002.-С.697.

Здобувачем за допомогою розробленої методики розрахунку проведено оцінку деградації структури металу труб за параметрам розсіяння характеристик твердості.

Лебедєв А.О., Музика М.Р., Волчек Н.Л. Способ оценки деградации материала после наработки по результатам массовых испытаний на твердость//В кн.: Тези доповідей XIII Петербургських читань з проблем міцності.-Санкт-Петербург, 2002.-С.57.

Здобувачем розроблена програма експериментальних досліджень стану структури матеріалу.

Волчек Н.Л., Пожидаєва Т.В. Определение деформационных повреждений сталей по параметрам рассеяния характеристик твердости//В кн.: Тези доповідей II Всеукр. науково-технічної конференції молодих вчених та спеціалістів “Сварка та суміжні технології”.-Київ.-2003.-С.28.

Здобувачем за допомогою розробленої програми експериментальних досліджень вивчено зміни стану структури сталей Ст3 та 20ХН3А.

Размещено на Allbest.ru

...