Введение к работе
Актуальность темы и направленность исследований. Проблема обеспечения надежной и безопасной работы металлических конструкций (МК) с каждым годом становится все более актуальной, так как их старение значительно опережает темпы технического перевооружения. Так, в 2000 году износ действующих в России фондов достиг 42,2 % при коэффициенте обновления 1,2 % по сравнению с 5,8 % в 1990 г. и 8,2 % в 1980 г., при этом до 60...80 % металлических конструкций выработали проектные сроки эксплуатации.
В реальных условиях эксплуатации металлические конструкции подвергаются воздействию не только статических, динамических, циклических нагрузок и низких температур, но и различных по степени агрессивности коррозионных сред, которые приводят к изменению геометрических характеристик конструкций и физико-механических свойств металла. Кроме того, в элементах и узлах конструкций всегда присутствуют дефекты, полученные при изготовлении, транспортировке, монтаже и эксплуатации, способствующие появлению локальных зон концентрации напряжений (КН), наиболее опасные из которых могут привести к разрушению конструкций.
Учесть все эти факторы расчетными методами не всегда представляется возможным, так как результаты оценки действующих внутренних напряжений в эксплуатирующихся конструкциях с помощью расчетов в ряде случаев значительно расходятся из-за неопределенностей в исходных данных, упрощения расчетной схемы конструкций, выбора методик расчета и изменяющихся условий эксплуатации.
При диагностике технического состояния металлических конструкций все большее внимание уделяется неразрушающим методам контроля, при этом одним из наиболее важных контролируемых параметров является величина внутренних напряжений, определение которой представляет собой достаточно сложную научно-техническую проблему. Поэтому разработке новых неразрушающих методов и методик определения внутренних напряжений в диагностических центрах мира уделяется большое внимание. Проблема определения внутренних напряжений осложняется при работе конструкции в сложном напряженном состоянии, неизвестных механической, химической и структурной предысториях металла, при наличии опасных зон концентрации напряжений.
В настоящее время для оценки внутренних напряжений разрабатываются и совершенствуются, в основном, магнитные, тепловые и рентгеновские методы. Наибольшее применение находят магнитные методы, использующие эффект магнитоупругости, с намагничивающими устройствами и без них. Одним из перспективных методов, реализующих этот эффект, является метод магнитной памяти металла (МПМ), основанный на регистрации магнитных полей рассеяния, возникающих на поверхности металлических конструкций в слабом магнитном поле Земли (область Рэлея) в процессе их изготовления и эксплуатации.
В связи с вышесказанным, исследования, посвященные оценке действительного напряженно-деформированного состояния (НДС) МК на основе расширения возможностей методов и средств контроля и диагностики, выявления закономерностей изменения магнитоупругих свойств малоуглеродистых и низколегированных сталей, разработки новых способов и методик, способствующих повышению степени достоверности результатов измерений в целом, представляются актуальными.
Целью диссертационной работы является повышение надежности и долговечности металлических конструкций путем выявления действительного НДС МК на основе научно-обоснованного подхода к комплексному применению методов и средств контроля и диагностики.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе обоснованы и поставлены следующие научно-технические задачи:
-
Провести анализ существующих методов и средств неразрушающего контроля, диагностики и оценки напряженно-деформированного состояния металлических конструкций.
-
Исследовать влияние различных факторов при деформационной, деформационно-термической и термической обработках на формирование микроструктуры с заданной степенью дисперсности в малоуглеродистых и низколегированных сталях и разработать способы ее магнитного контроля.
-
Провести комплексные экспериментальные исследования по оценке влияния внутренних напряжений на изменение напряженности магнитного поля рассеяния в сталях с различным химическим составом и структурным состоянием в условиях малоциклового упруго-пластическом деформирования, с разработкой графических и аналитических регрессионных зависимостей.
-
Рассмотреть процессы намагничивания ферромагнитных материалов в слабом магнитном поле Земли (область Рэлея) при их упруго-пластическом деформировании и предложить механизм, объясняющий эти процессы.
-
Разработать способы определения действующих внутренних напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов с использованием эффекта магнитоупругости метода магнитной памяти металла.
-
Разработать комплексную экспериментально-расчетную методику выявления действительного НДС МК, учитывающую структуру и химический состав металла, структурную неоднородность сварных соединений, а также влияние коррозионных повреждений, с элементами моделировании кинетики их развития.
-
Разработать способы усиления сварных соединений и элементов металлических конструкций за счет направленного изменения микроструктуры металла в локальных зонах концентрации напряжений термической обработкой с последующим магнитным контролем дисперсности формируемой микроструктуры.
-
Обосновать применение постоянного и периодического магнитного мониторинга и разработать методику контроля напряженно-деформированного состояния металлических конструкций в зонах концентрации напряжений.
Методы исследования. Все задачи диссертационных исследований эффективно решены на основе применения апробированных и корректных методов: механических испытаний, металлографического анализа, термической обработки сталей, магнитной диагностики, а также численных методов расчета, математического моделирования и прикладной статистики и интерпретации статистических данных (планирование экспериментов, описательная статистика, проверка статистических гипотез, измерительный анализ, регрессионный анализ). При оценке работы реальных конструкций использовались экспериментальные данные, полученные на образцах и крупномасштабных моделях.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:
-
Разработаны теоретические и практические положения по оценке действительного напряженно-деформированного состояния металлических конструкций, включающие предварительное выявление зон концентрации напряжений, оценку степени их опасности и определение в наиболее опасных из них действующих внутренних напряжений.
-
Разработаны способы обработки малоуглеродистых и низколегированных сталей, включающие в себя проведение деформационного, деформационно-термического и термического воздействий и позволяющие получить микроструктуру с требуемой степенью дисперсности, соответствующую различным состояниям поставляемого заводского проката, и способы ее магнитного контроля.
-
Установлена корреляционная связь между напряженностью магнитного поля рассеяния и действующими внутренними напряжениями при малоцикловом упруго-пластическом деформировании сталей с учетом их химического состава и исходной микроструктуры.
-
Предложен механизм, объясняющий изменение магнитного параметра от уровня внутренних напряжений, химического состава и исходной микроструктуры сталей при циклическом упруго-пластическом деформировании.
-
Разработаны частные (при известных микроструктуре и химическом составе сталей) и обобщенные графические и аналитические регрессионные зависимости безразмерных параметров и , позволяющие оценить уровень действующих внутренних напряжений в зонах концентрации напряжений при нагружении и разгружении элементов конструкций и сварных соединений.
-
Разработаны и запатентованы способы определения действующих внутренних напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов.
-
Разработана экспериментально-расчетная методика выявления действительного напряженно-деформированного состояния металлических конструкций с учетом структуры и химсостава металла, структурной неоднородности зон сварных соединений и кинетики развития коррозионных повреждений на основе комплексного применения методов и средств контроля и диагностики.
-
Разработаны способы усиления сварных соединений и элементов металлических конструкций путем проведения восстановительной термической обработки за счет направленного изменения микроструктуры металла в локальных зонах концентрации напряжений с последующим магнитным контролем.
-
Разработана методика контроля напряженно-деформированного состояния элементов металлических конструкций в выявленных зонах концентрации напряжений за счет проведения магнитного мониторинга.
Степень обоснованности научных положений, рекомендаций и выводов обеспечиваются: корректностью поставленных задач, представительностью и достоверностью исходных и экспериментальных данных, использованием общепринятых в механике материалов теорий, гипотез и допущений, применении апробированных и корректных методик разрушающего и неразрушающего контроля, методов математического моделирования и прочностного расчета, а также методов прикладной статистики и интерпретации статистических данных.
Положения, выносимые на защиту:
-
Теоретические и практические положения по оценке действительного напряженно-деформированного состояния металлических конструкций, включающие предварительное выявление зон концентрации напряжений, оценку степени их опасности и определение в наиболее опасных из них действующих внутренних напряжений.
-
Результаты разработки способов получения микроструктур с заданной степенью дисперсности в малоуглеродистых и низколегированных сталях и рекомендации по усилению сварных соединений и элементов металлических конструкций по разработанным режимам термической обработки с применением магнитного контроля.
-
Результаты широкомасштабных экспериментальных исследований по изучению взаимосвязи действующих внутренних напряжений и напряженности магнитного поля рассеяния в сталях с различным химическим составом и структурным состоянием в условиях малоциклового упруго-пластического деформирования.
-
Описание механизма, объясняющего связь магнитных, структурных и механических параметров малоуглеродистых и низколегированных сталей при малоцикловом упруго-пластическом деформировании в слабом магнитном поле Земли.
-
Результаты разработки частных и обобщенных графических и аналитических регрессионных зависимостей, описывающих взаимосвязь магнитных, структурных и механических параметров малоуглеродистых и низколегированных сталей и позволяющих оценить уровень действующих внутренних напряжений при нагружении и разгружении элементов металлических конструкций.
-
Результаты разработки экспериментально-расчетной методики выявления действительного напряженно-деформированного состояния металлических конструкций на основе комплексного применения методов и средств контроля и диагностики и методики магнитного мониторинга.
Практическая значимость диссертационной работы состоит:
-
В разработке способов получения микроструктур в малоуглеродистых и низколегированных сталях с заданной степенью дисперсности за счет проведения деформационной, деформационно-термической и термической обработок и способов ее поэтапного магнитного контроля.
-
В разработке и апробации способов определения внутренних напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов, включающих в себя предварительное выявление зон концентрации напряжений и оценку степени их опасности по величине приращения напряженности магнитного поля рассеяния (1 патент РФ и 2 решения о выдаче патентов РФ на изобретения). Способы могут быть использованы при диагностировании технического состояния металлических конструкций и оборудования в процессе изготовления, монтажа, эксплуатации, реконструкции и реновации в различных отраслях промышленности, что позволит повысить степень достоверности результатов измерений и выявить резервы несущей способности.
-
В апробации частных и обобщенных графических и аналитических зависимостей структурных, магнитных и механических параметров малоуглеродистых и низколегированных сталей при определении в контролируемых зонах действующих внутренних напряжений, и использовании их в прочностных расчетах при оценке напряженно-деформированного состояния эксплуатируемых металлических конструкций.
-
В разработке и апробировании в промышленных условиях (локомотивное депо ЗАО "Локомотив" ДО ОАО "Кировский завод", Санкт-Петербург) экспериментально-расчетной методики оценки напряженно-деформированного состояния металлических конструкций, учитывающей выявление зон локальных и общих коррозионных повреждений и структурной неоднородности сварных соединений, и последующего магнитного мониторинга внутренних напряжений в зонах концентрации напряжений.
-
В разработке способов усиления сварных соединений и элементов металлических конструкций за счет проведения контролируемой термической обработки локальных зон концентрации напряжений по разработанным режимам рекристаллизационного отжига и термоциклической обработки малоуглеродистых и низколегированных сталей.
-
В использовании результатов исследований, изложенных в диссертации, в учебных курсах "Технология конструкционных материалов", "Материаловедение" и "Технология сварки мостовых конструкций", читаемых в Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете для студентов строительных специальностей и студентов специальности "Мосты и тоннели".
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научно-технических конференциях и семинарах: на IV Всероссийском с международным участием научно-практическом семинаре "В мире неразрушающего контроля и диагностики материалов, промышленных изделий и окружающей среды" (С.-Пб., 2003); на семинаре "Сварочные технологии", посвященному 160-летию Котлонадзора России (С.-Пб., 2003); на научном семинаре в СПбГТУ (2007), на 56–59-ой международных научно-технических конференциях молодых ученых (аспирантов, докторантов) и студентов "Актуальные проблемы современного строительства" (С.-Пб., 2003–2006); на 60–64-ой научных конференциях профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов СПбГАСУ (С.-Пб, 2003–2007).
Публикации. Основные положения диссертационного исследования достаточно полно отражены в 47 публикациях, в состав которых входят 4 монографии, 1 патент РФ и 2 решения о выдаче патента РФ на изобретения; в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК, опубликовано 6 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 8 глав, общих выводов, заключения и списка литературы. Диссертация изложена на 348 страницах основного текста, содержит 107 рисунков, 16 таблиц и 1 приложение.
