Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние проблемы оценки предельного состояния металла оборудования нефтегазовой отрасли 10
1.1 Условия функционирования оборудования нефтегазовой отрасли 10
1.2 Применение неразрушающего контроля для обеспечения безопасной эксплуатации оборудования нефтеперерабатывающих производств 18
1.3 Методы оценки предельного состояния металла оборудования 31
Выводы 40
2 Исследование взаимосвязи механических и электрофизических свойств металла нефтегазового оборудования 42
2.1 Общие закономерности взаимосвязи механических и электрофизических свойств конструкционных сталей с параметрами гармонических составляющих вторичного электромагнитного поля 42
2.2 Разработка экспериментальной установки и методики проведения исследований 53
2.3 Исследование сопротивления хрупкому разрушению металла 64
2.4 Метрологическое обеспечение экспериментальных исследований 74
Выводы 83
3 Исследование частотных и временных характеристик системы электромагнитный преобразователь - металл в процессе деформирования-разрушения 84
3.1 Исследование зависимости амплитудно-фазочастотных характеристик сигнала электромагнитного преобразователя при растяжении опытных образцов 84
3.2 Исследование временных характеристик системы "электромагнитный преобразователь-металл" 93
Выводы 96
4 Оценка состояния металла нефтегазового оборудования по изменению параметров математической модели системы электромагнитный преобразователь - металл 98
4.1 Математическая реализация зависимости электрофизических и механических свойств метала от действия деформирующих усилий 98
4.2 Применение передаточной функции для идентификации технических объектов 107
4.3 Оценка состояния металла нефтегазового оборудования на основе анализа параметров передаточной функции 120
Выводы 122
Основные результаты и выводы 124
Список использованных источников 126
Приложение А
- Условия функционирования оборудования нефтегазовой отрасли
- Разработка экспериментальной установки и методики проведения исследований
- Исследование зависимости амплитудно-фазочастотных характеристик сигнала электромагнитного преобразователя при растяжении опытных образцов
- Применение передаточной функции для идентификации технических объектов
Условия функционирования оборудования нефтегазовой отрасли
Оборудование предприятий нефтепереработки работает в условиях действия механических напряжений, высоких температур, природных и технологических коррозионно-активных сред, инициирующих возникновение и накопление повреждений, приводящих со временем к нарушению его работоспособности. Преобладающая часть парка оборудования нефтепереработки имеет поверхностный контакт с рабочей средой, эксплуатируется в очень жестких режимах - в условиях действия высоких давлений и температур. Современные технологические процессы ориентированы на углубление переработки нефтяного сырья. Увеличение выхода светлых нефтепродуктов связано с повышением роли деструктивных процессов переработки нефти, что в свою очередь ведет к интенсификации технологических процессов и усложнению конструкции оборудования. В последние годы в переработку вовлекаются все большие объемы нефтей с повышенным содержанием сероводорода, минеральных солей и газоконденсатов с высоким содержанием агрессивных компонентов. Это обстоятельство значительно усложняет условия эксплуатации оборудования, вызывая интенсивное развитие различных коррозионных процессов. Коррозионная активность технологических сред является одним из основных факторов, снижающих надежность металлических конструкций и способствующих зарождению трещин [111]. Агрессивное воздействие рабочих сред обусловлено обводненностью нефти, наличием в ней кислых компонентов, сернистых и хлористых соединений, а так же применением в процессе подготовки и переработки коррозионно-активных реагентов. Как показали результаты диагностирования 59 резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов (годы постройки 1975 - 80 г.г., объем резервуаров 20 000 м3), при суммарном содержании в нефти воды, хлора и серы более 3 % коррозионное растрескивание имело место во всех резервуарах, эксплуатировавшихся более 15 лет [103]. Особую опасность представляет разрушение оборудования в условиях действия водородосодержащих и водородовыделяющих сред.
Наиболее интенсивному коррозионному разрушению подвержено оборудование, испытывающее одновременное или последовательное воздействие нескольких коррозионно-активных сред. В результате расщепления хлористого магния, содержащегося в пластовой воде, образуется хлористый водород, вызывающий интенсивную коррозию теплообменников, электрогидраторов, сепараторов, холодильников, колонных аппаратов. Значительно усиливаются процессы коррозии при введении в сырье водяного пара. Содержание в нефтях нафтеновых кислот способствует коррозии печных труб. Термодеструктивные процессы, вследствие дополнительного расщепления при высоких температурах, повышают степень агрессивного воздействия продуктов. Агрессивными компонентами продуктов термокаталитических процессов являются сероводород, хлористый водород, вода и др., образующиеся в результате каталитической деструкции. Они способствуют, в зависимости от марки стали, коррозионному растрескиванию, водородному охрупчиванию, обезуглероживанию. Проблема повышения долговечности реакционных аппаратов термодеструктивных процессов переработки углеводородного сырья рассматривается в работах Кузеева ИР.
Оборудование газофракционирующих установок - абсорберы, трубчатые печи, теплообменники, подогреватели-кипятильники и др. - подвергаются коррозионному расслоению металла вследствие наводораживающего действия дренажных вод, содержащих сероводород. При очистке масляного сырья избирательными растворителями характерна коррозия металлов в воднокрезольных смесях с восстановлением растворенного кислорода. Коррозионную активность проявляют водный раствор фурфурола, карбамидные среды и др. Внедрение системы оборотного водоснабжения сопровождается интенсификацией коррозионных разрушений оборудования конденсации и охлаждения.
Практически все процессы, связанные с воздействием рабочих сред, ускоряются под действием механических напряжений. Явление усиления коррозии металла под действием механических напряжений называют механохимическим эффектом. Наиболее сильно механохимический эффект проявляется в режиме динамического пластического течения, который реализуется в областях перенапряжения металла при повторно-статических нагрузках. Результаты исследования механохимической повреждаемости оборудования представлены в работах Зайнуллина Р.С.[54].
В процессе работы конструкции могут находиться под действием широкого спектра нагрузок, как механических, так и тепловых. К этим нагрузкам следует отнести избыточное давление — внешнее или внутреннее, ветровые нагрузки, температурные напряжения, возникающие вследствие распределения температур по поверхности объекта. Все это приводит к сложной картине распределения напряжений и деформаций в конструктивных элементах. Характер такого распределения зависит от большого числа факторов, основными из которых являются геометрическая и физическая неоднородность, термомеханические свойства материалов, из которых изготовлена конструкция, ее конструктивно-технологическое оформление, рабочая среда, продолжительность эксплуатации и вид нагрузки. Для многих конструкций характерен периодический режим нагружения. В этом случае одной из основных причин неисправностей оборудования являются усталостные разрушения. Проблеме обеспечения работоспособности нефтехимического оборудования в условиях действия широкого спектра нагрузок посвящены работы Махутова Н.А., Морозова Е.М., Халимова А.Г. [72,111].
Многие объекты эксплуатируются при повышенных температурах. С одной стороны, этот фактор способствует уменьшению вероятности возникновения хрупкого разрушения, поскольку обычно объекты эксплуатируются при рабочих температурах, значительно превышающих порог хладноломкости. С другой стороны, интенсивное тепловое воздействие может привести к развитию различных деградационных процессов в материалах, из которых изготовлена конструкция и, как следствие, к их термическому повреждению. Влияние температурного фактора определяется не только значением рабочей температуры, но и характером и динамикой теплового воздействия. При нестационарном тепловом нагружении возможна термическая усталость материала конструкции. Динамические тепловые нагрузки могут быть обусловлены периодическим характером технологического процесса, изменениями рабочих параметров в период пуско-наладочных и ремонтных работ, а так же вследствие неоднородного распределения температур по поверхности конструкции. Тепловые поля в той или иной степени нестационарны, их изменение приводит к соответствующему перераспределению упругих и пластических деформаций в объеме напряженного металла [103].
Конструктивно-геометрические особенности оборудования
нефтепереработки. Технологическое оборудование нефтеперерабатывающих заводов чрезвычайно разнообразно как по назначению, так и по конструктивному оформлению. Преобладающая часть парка оборудования нефтепереработки имеет поверхностный контакт с рабочей средой и относится к категории металлоемких и тяжелонагруженных, представляет собой крупногабаритные конструкции, способные накапливать значительную упругую энергию, которая при аварийных ситуациях может вызвать большие разрушения близрасположенных зданий, сооружений, оборудования [39].
Применение углеродистых, низколегированных и нержавеющих сталей, цветных металлов и сплавов, двухслойных и других материалов, широкий диапазон толщин металла, сложная конфигурация изделий требуют разработки специальных средств и методик для проведения неразрушающего контроля и диагностики оборудования. Специфической особенностью оборудования нефтепереработки являются значительные поверхности и большая протяженность сварных швов [114].
Оборудование должно быть надежным и безопасным в эксплуатации. Повышенные взрыво- и пожароопасность среды, высокая производительность и продолжительная непрерьшная работа оборудования нефтеперерабатьгоающих заводов обусловили дополнительные требования к его конструкции. Оборудование считается надежным, если оно полностью соответствует технологическому назначению в пределах заданных параметров работы, если исключена возможность нарушения целостности и пригодности всей конструкции, ее узлов и деталей и, следовательно, возможность аварий. Конструкция оборудования должна быть технологичной в изготовлении, удобной для транспортировки, монтажа и ремонта [105,106].
Любой вид технологического оборудования является элементом более сложной системы и связан с другими объектами предприятия множеством потоков. Поэтому нарушения в любом из этих потоков могут привести к потере оборудованием работоспособности. С другой стороны, сам объект представляет собой систему, и, следовательно, его функционирование зависит от состояния составляющих его элементов. Отсюда сложность и многообразие причин, приводящих к отказам и неисправностям технологического оборудования. В ряде случаев крупногабаритные конструкции являются уникальными объектами, изготавливаемыми по индивидуальным проектам для конкретных производств. Большие габариты и масса обусловливают высокую стоимость объекта. Поэтому невозможно провести полноценные испытания на надежность [91].
Разработка экспериментальной установки и методики проведения исследований
При выборе материала для проведения экспериментальных исследований учитывались результаты анализа применения различных конструкционных материалов при производстве нефтеперерабатывающего оборудования. Известно, что углеродистые стали составляют порядка 50 % от всего объема потребляемого металла, доля низколегированных сталей типа 09Г2С, 16ГС, 12ХМ и других составляет порядка 20 %, а на долю коррозионно-стойких сталей приходится от 26 до 28 %.
Для проведения исследований, в качестве объекта исследований была выбрана низколегированная сталь 09Г2С.
Химический состав исследуемой стали определяли с помощью портативного оптико-эмиссионного спектрометра PMI-MASTER/PMI-MASTER Plus. Внешний вид спектрометра представлен на рисунке 2.2.
Так как элементы оборудования и конструкций работают при различных схемах нагружения, то экспериментальные исследования строились по двум направлениям: при статическом нагружении (растяжение) и при циклическом нагружении (по схеме поперечного изгиба).
Для выявления взаимосвязи механических и электрофизических свойств стали 09Г2С при растяжении был разработан автоматизированный измерительный комплекс на базе универсальной испытательной машины УММ-5.
Автоматизация средств и процессов исследования механических и электрофизических свойств материалов является неизбежной из-за большой трудоемкости, малой оперативности и низкой производительности процессов измерений и обработки экспериментальных данных. При ручном управлении процессом испытания материалов достоверность получаемых результатов зависит от квалификации исследователя и приспособленности аппаратуры к калибровке, поверке и перестройке. В большинстве случаев ручные способы требуют чрезмерных затрат времени для получения необходимого объема информации о свойствах испытуемых материалов.
Наиболее перспективны АИК (автоматизированный исследовательский комплекс), содержащие в своем составе персональный компьютер (ПК), и представляющие собой универсальные измерительные комплексы с программированным управлением процессами испытания, измерения и обработки информации, представлением результатов в заданном виде (таблицы, графики и пр.) и хранением информации [15]. Особенностью АИК является также автоматическая калибровка по внутренним калибраторам (образцовой мере) перед каждым циклом измерения, что позволяет снизить влияние изменяющихся во времени составляющих погрешности измерения, а также исключить погрешности, вносимые оператором при ручном способе управления.
На рисунке 2.3 изображена структурная схема компьютеризованного исследовательского комплекса на базе серийно выпускаемых машин для испытания на растяжение, сжатие, кручение и усталость.
Использование мощных ресурсов компьютера дает возможность резко снизить затраты на приобретение и разработку аппаратных средств, а также быстро производить всестороннюю статистическую обработку и документирование результатов испытаний.
Для измерения и преобразования усилия в электрический сигнал используются тензометрические динамометры и трансформаторные индукционные датчики углового перемещения 5, которые являются электромеханическим устройством, вырабатывающим постоянное электрическое напряжение, пропорциональное углу поворота стрелки динамометра. Электрическое напряжение с выхода датчика через нормирующий преобразователь 8 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7 поступает в ПК 9.
Для измерения перемещения подвижной каретки (то есть для измерения удлинения образца А/) используется трансформаторный индукционный датчик линейного перемещения 4, преобразующий абсолютное удлинение образца А/ в постоянное электрическое напряжение, которое через нормирующий преобразователь 6 и АЦП 7 также поступает в ПК 9. Персональный компьютер ПК, имеет встроенную плату сопряжения ТР801 фирмы Tie-Pie, которая содержит цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и АЦП, анализатор спектра, позволяет записывать переходные процессы. Плата сопряжения имеет полосу пропускания по двум каналам 50 МГц, по одному каналу - 100 МГц, амплитуда сигнала от 100 мВ до 80 В, погрешность измерения 1 %, имеет встроенную систему метрологического обеспечения и обработки результатов измерений. Плата ТР801 осуществляет связь электромагнитных преобразователей с персональным компьютером. Измерение электрофизических свойств металла образца производится проходными или накладными электромагнитными преобразователями (ЭМП). Для исследования зависимости параметров гармонических составляющих вторичного электромагнитного поля от уровня и характера повреждений структуры металла, возникающих при различных схемах нагружения, был разработан компьютеризованный исследовательский комплекс, состоящий из стандартной испытательной машины и автоматической измерительной системы. Анализ сигналов электромагнитных преобразователей осуществлялся на персональном компьютере с помощью специализированного программного обеспечения, поставляемое с платой сопряжения. Электромагнитные преобразователи подключались к измерительной системе через плату сопряжения ТР-801 фирмы Tei-Pei, которая содержит аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи и анализатор спектра. Результаты экспериментов обрабатывались с помощью специализированных программ [31, 32].
Диапазон исследуемых частот от 1 Гц до 2 МГц. Вид экрана программного комплекса показан на рисунке 3.4. Порядок работы с меню такой же, как у всех приложений, работающих под Windows. На экране показаны гармонические сигналы, снятые с генераторного и измерительного выходов проходного электромагнитного преобразователя.
С помощью специализированного программного комплекса содержащего функции генератора, осциллографа, вольтметра, анализатора спектра, самописца можно исследовать форму входного сигнала подаваемого с генератора (рисунок 2.5), измерять сдвиг по фазе между двумя сигналами (рисунок 2.6). С помощью вольтметра измерять амплитуду напряжения (рисунок 2.7), производить анализ высших гармонических составляющих сигнала электромагнитного преобразователя (рисунок 2.8).
Для проведения исследований на образец устанавливается проходной преобразователь трансформаторного типа. Измерения проводятся одновременно по двум каналам. На вход первого канала подается сигнал преобразователя с испытуемого образца, на второй канал подается сигнал преобразователя с контрольного образца. На возбуждающие обмотки обоих преобразователей, включенные последовательно, подается синусоидальный сигнал, формируемый системой. Одновременно этот же сигнал по другому каналу подается на осциллограф для осуществления визуального контроля формы сигнала. В процессе испытания осуществляется разложение сигналов обоих преобразователей в ряд Фурье, измеряются амплитуды гармонических составляющих, определяется их фазы и вычисляются фазовые сдвиги между отдельными гармониками. Исследуемые образцы нагружаются вплоть до полного разрушения с определенным шагом изменения нагрузки, при этом осуществляется запись и анализ параметров сигналов преобразователей.
Для обработки сигнала, поступающего с измерительной обмотки ЭМП, используются программы разработанные в соавторстве с автором. Осциллограф АКТАКОМ-320 позволяет визуально наблюдать и измерять амплитуду и фазу сигналов по двум каналам. Диапазон частот который использовался при измерениях составил от 10 кГц до 2 МГц. Измерение электропроводности осуществлялось также с помощью цифрового электронного моста МЭН-2, имеющего диапазон измерения от 10"6 до 190 Ом с погрешностью (0,5 +0,25(Rk/Rx - 1)) %, где R -верхний предел измерения. Блок коммутации позволяет подключать сигнал ЭМП к входу образцовых измерительных приборов, т.е. имеется возможность оценить погрешность измерительного комплекса.
При испытаниях образцов круглого сечения на растяжение использовались проходные электромагнитные преобразователи трансформаторного типа. Конструкция такого преобразователя показана на рисунке 8. На исследуемый образец 1, с концентратором напряжения 4 или без него, через изоляционную прокладку 5 наматывается измерительная обмотка 2. Поверх измерительной обмотки наматывается возбуждающая обмотка 2. Концентратор предназначен для локализации механических напряжений в зоне чувствительности преобразователя. Концы обмоток преобразователя посредством витой пары соединяются с измерительным комплексом. Для обеспечения равномерного намагничивания длина возбуждающей обмотки преобразователя должна быть много больше диаметра образца.
В процессе проведения экспериментальных исследований взаимосвязи механических и электрофизических свойств конструкционных сталей при растяжении были разработаны опытные образцы и измерительные преобразователи.
Опытные образцы были разработаны на основе цилиндрических образцов согласно ГОСТ 1497-84, отличающиеся тем, что сечение образца постоянно по всей длине. Крепление образца в захватах осуществляется за счет резьбового соединения. В средней части образца нанесен концентратор напряжений в виде проточки необходимый для локализации зоны контроля измеряемых величин. На основании проведенных расчетов на прочность были выбраны геометрические параметры концентратора напряжений.
Такие конструктивные изменения формы образца были обусловлены необходимостью применения одного и того же проходного вихретокового преобразователя обеспечивающего максимальную чувствительность измеряемого параметра при проведении испытаний. Внешний вид опытного образца - 1 представлен на рисунке 2.10.
Проходной электромагнитный преобразователь, содержащий генераторную и измерительную обмотки, устанавливается на образец в зоне концентратора напряжений На рисунке 2.11 представлена конструкция проходного вихретокового преобразователя, где 1 - каркас, 2 - измерительная обмотка, 3 - генераторная обмотка.
Исследование зависимости амплитудно-фазочастотных характеристик сигнала электромагнитного преобразователя при растяжении опытных образцов
Как известно, механические и электрофизические свойства материалов определены на уровне структуры и взаимосвязаны. Все изменения в структуре материала, происходящие в процессе механического нагружения, находят отражение в соответствующих изменениях электрофизических параметров. В свою очередь, электрофизические параметры могут быть измерены электромагнитными методами и применены для оценки текущего технического состояния металла оборудования.
Любое воздействие на металл, которое способствует появлению и увеличению в нем дефектов кристаллического строения, приводит к соответствующим изменениям электрофизических параметров. Влияние упругих и пластических деформаций на электрофизические параметры подтверждает возможность их использования для оценки упругой и пластической деформаций конструкционных материалов.
Основным моментом при оценке текущего технического состояния металла оборудования является определение предельного состояния и критериев прочности при заданных условиях эксплуатации. Механическим критериям предельных нагрузок и деформаций металла оборудования соответствуют электрофизические критерии предельного состояния, значения которых определяются при доведении модели или натурного образца до предельного состояния.
На рисунке 3.1 приведены зависимости амплитуд гармонических составляющих сигнала проходного электромагнитного преобразователя при растяжении цилиндрического образца из стали марки 09Г2С.
Как видно из рисунка, разные гармонические составляющие по-разному реагируют на приложенную нагрузку, но в совокупности они характеризуют состояние материала при конкретной нагрузке. Аналогичные исследования были проведены для углеродистых, низколегированных и нержавеющих сталей при растяжении, сжатии и кручении цилиндрических образцов, при растяжении и циклических нагрузках плоских образцов. Соответствующие диаграммы приведены на рисунках 3.2-3.6.Анализ изменения гармонических составляющих спектра сигнала электромагнитного преобразователя при различных схемах нагружения образца показывает, что деформация сдвига увеличивает первую и четные гармоники, а нормальные напряжения вызывают увеличение нечетных гармоник выше первой. При больших продольных нагрузках на стержень начинается перераспределение напряжений, что отражается в увеличении первой и четных гармоник сигнала преобразователя. Когда касательные напряжения достигают определенного значения, третья гармоника резко уменьшается. Это явление может быть использовано в качестве физического критерия потери устойчивости в задачах прогнозирования ресурса оборудования. Увеличение амплитуды третьей гармоники также характеризует увеличение магнитной проницаемости материала и наведенную под воздействием внешней нагрузки намагниченность.
Закономерности изменения параметров отдельных гармоник отражают иерархичность и многостадийность процессов разрушения материалов. Каждую стадию можно идентифицировать совокупностью параметров гармонических составляющих спектра сигнала электромагнитного преобразователя. Сопоставление рельефа амплитуд гармонических составляющих с диаграммой нагружения образцов из этих металлов показывает, что каждая точка на кривой нагружения могут быть отображена совокупностью соотношений амплитуд и фаз гармонических составляющих сигнала электромагнитного преобразователя.
Механические напряжения и пластические деформации ферромагнитных материалов вызывают изменения их электрофизических параметров и, соответственно, меняются частотные характеристики системы "электромагнитный преобразователь - металл" (рисунок 3.7).
Эти характеристики определяют поведение системы при некоторых заранее заданных типовых входных воздействиях. Обычно в качестве типовых воздействий выбирается либо гармоническое синусоидальное воздействие, либо ступенчатое воздействие.
Частотная характеристика исследуемой системы имеет место при подаче на вход системы (рисунок 3.7) гармонического воздействия при изменении его частоты от нуля до бесконечности и сохранении постоянной амплитуды входного сигнала на всем диапазоне изменения частот. Очевидно, что при экспериментальном получении подобной характеристики диапазон изменения частоты входного гармонического воздействия ограничен определенными техническими возможностями того или иного устройства для подачи гармонических воздействий.
На практике, процесс снятия частотных характеристик при гармоническом входном воздействии на всем диапазоне частот весьма проблематичен, т.к. он занимает много времени, поэтому целесообразно перейти к другому виду входного воздействия - ступенчатому.
Применение передаточной функции для идентификации технических объектов
Достоинством и отличительной особенностью данного подхода в нашем случае является то, что исследователю нет надобности рассматривать и анализировать сложные процессы, протекающие в металле при механическом нагружении, с течением времени. Цель его исследований заключается в определении рабочей и нерабочей областей для исследуемой системы. И что рабочей и нерабочей областей для исследуемой системы. И что самое важное, данная методика позволяет количественно идентифицировать состояние системы.
Данное дифференциальное уравнение описывает взаимодействие входного и выходного сигналов электромагнитного преобразователя с металлом. Аналитически решить данное уравнение в этом случае не представляется возможным, так как существует достаточно много факторов, осложняющих данную задачу. В таких случаях обычно используются методы операционного исчисления, основанного на функциональном преобразовании Лапласа.
Операция преобразования дифференциального уравнения заключается в замене функций вещественного переменного t (t - время) функциями комплексного переменного р. Это преобразование позволяет представить в алгебраической форме дифференцирование, интегрирование и трансцендентные функции. После нахождения решения для функций комплексного переменного р производится обратное преобразование полученного решения в функции исходного вещественного переменного /. Преобразование Лапласа имеет преимущества по сравнению с классическими методами решения дифференциальных уравнений: преобразованные уравнения являются алгебраическими, т.е. операции над ними проще соответствующих операций над исходными дифференциальными уравнениями; частотные характеристики системы можно получить из преобразованных уравнений без интегрирования; используя преобразование Лапласа, можно определить значения начальных условий переходного процесса в исследуемой системе.
Величина W(p) называется передаточной функцией системы. Передаточная функция системы представляет собой отношение преобразованной по Лапласу величины на выходе у(р) к преобразованному по Лапласу воздействию на ее входе х(р).
Величина W(p) зависит только от параметров системы, поэтому она полностью определяет ее динамические свойства. Зная передаточную функцию, можно найти переходный процесс у(р) при любом заданном воздействии и определенных начальных условиях.
Вернемся к амплитудно-фазовой характеристике. Если на вход исследуемой системы подать гармонические колебания, то амплитуда колебаний на выходе системы, при неограниченном возрастании частоты, стремиться к нулю или принимает ограниченное значение.Функция W(jco), так же как и передаточная функция W(p), полностью определяет динамические свойства линейной системы и вычисляется по уравнению переходного процесса в ней при замене комплексного, параметра р параметром (jo).
По кривой переходного процесса можно получить параметры передаточной функции, для этого временную характеристику обычно заменяют аппроксимирующей математической функцией, по которой определяют передаточную функцию.
Таким образом, передаточная функция, исследуемой системы "электромагнитный преобразователь - металл", является интегральным параметром, характеризующим состояние металла.
При оценке динамических свойств исследуемой системы, прежде всего, выясняют ее устойчивость. Итак, система устойчива, если после прекращения внешнего воздействия она по истечении некоторого времени возвращается к тому состоянию равновесия, в котором находилась до начала воздействия.
Существует достаточно много методов оценки устойчивости характеристического уравнения. Метод распределения корней один из них. Этот метод основан на изучении распределения корней характеристического уравнения системы. Существует область, внутри которой располагаются корни характеристического уравнения, эту область определяет степень устойчивости, (рисунок 4.1). В геометрическом представлении степень устойчивости равна расстоянию п от мнимой оси до ближайшего к ней корня характеристического уравнения устойчивой линейной системы.
В предлагаемой методике было принято допущение, что рассматриваемая система электромагнитный преобразователь - металл является линейной или может быть линеаризована. В данном случае, металл описывается как линейная система в пределах выполнения закона пропорциональности, т.е. до момента возникновения необратимых пластических деформаций. Переход из упругой области деформации в упругопластическую и пластическую будет рассматриваться как потеря устойчивости системы.
Аппроксимация переходных кривых с целью определения параметров передаточных функций исследуемой системы производилась с помощью программы Simou df. Определение корней (полюсов) характеристических уравнений передаточных функций производилась с помощью программы Lapnew.
На рисунке 4.2 представлено расположение корней передаточных функций на комплексной плоскости. Передаточные функции определялись для кривых переходных процессов (рисунок 4.2) полученных при растяжении цилиндрического образца из стали 09Г2С.
Проанализировав расположение корней на комплексной плоскости для исследуемой системы, полученных в процессе растяжения, можно сделать вывод о том, что в результате поставленного эксперимента количественно была определена область допустимых параметров системы (заштрихованная область на рисунке 4.3). В нашем случае, исследуемая система описывается допустимыми параметрами до тех пор, пока находится в упругой области деформирования, т.е. до достижения предела текучести для данного металла.
При достижении значительных напряжений в процессе растяжения образцов изменяется характер переходного процесса, соответственно меняется и расположение корней передаточной функции на комплексной плоскости. Эти изменения параметров передаточной функции исследуемой системы свидетельствуют об изменении в распределении нормальных напряжений по сечению образца. Дальнейшее развитие такого изменения в распределении напряжений по сечению образца приводит к потере устойчивости в упругой области деформации стержня из-за локальных пластических деформаций.
Т.е. исследуемая система не может возвратиться в исходное состояние. Изменение расположения корней передаточной функции на комплексной плоскости, т.е. выход за пределы определенной области, является предвестником потери устойчивости.
Как известно, один из самых опасных видов разрушения - это хрупкое разрушение. Ни один из современных методов неразрушающего контроля не в состоянии количественно идентифицировагь состояние металла, при котором возможно развитие хрупкого разрушения.
Для проверки адекватности описанного выше метода для идентификации хрупкого разрушения был поставлен следующий эксперимент. Цель эксперимента заключалась в моделировании хрупкого разрушения цилиндрических образцов из стали 09Г2С при низких температурах. Порог хладноломкости выбранной марки стали составил 193 К. Температурный диапазон испытаний изменялся от 173 К до 293 К. Осуществление хрупкого разрушения оценивали по процентному содержанию волокна в изломе. Цилиндрические образцы помешались в криостат с хладагентом при заданной температуре и выдерживались определенное время, затем подвергались растяжению до разрушения. При этом в процессе растяжения с помощью аппаратно-программных средств записывались кривые переходных процессов. Как это было описано выше, по кривым переходных процессов определялись передаточные функции исследуемой системы, и их корни.
На рисунке 16 представлено расположение корней, полученных в процессе растяжения цилиндрических образцов при температуре 173К (чисто хрупкое разрушение). В области отрицательных температур было замечено повышение прочностных характеристик металла
Таким образом, при моделировании хрупкого разрушения были получены следующие результаты. При чистом хрупком разрушении, на комплексной плоскости была выделена область, ограниченная лучами, образованными корнями передаточных функций. Корни, не попавшие в рассматриваемую область, соответствуют моменту времени перед разрушением. По результатам проведенных экспериментов была построена карта динамики разрушения (рисунок 4.6).
Для подтверждения адекватности полученной карты динамики разрушения были проведены серии экспериментов при циклическом нагружении плоских образцов из конструкционной стали 09Г2С. Испытанию подвергались две партии образцов: первая была в состоянии поставки, вторая была термообработана при температуре 920С с вьщержкой в печи 6 часов, и последующей закалкой в масле при температуре 800С. Такой режим термообработки был выбран с целью снижения пластичных свойств металла образцов.
