Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ПОДХОДОВ К ОЦЕНКЕ НАПРЯЖЕН
НО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ 15
1.1. Состояние проблемы надежности и оценки НДС металлоконструкций 15
1.2. Контроль технического состояния металлических конструкций 18
1.3. Методы оценки напряженно-деформированного состояния 21
1.4. Методы косвенного определения внутренних напряжений, основанные на использовании магнитомеханического явления 27
1.4.1. Физические основы эффекта магпитоупругости 27
1.4.2. Магнитострикционный метод 30
1.4.3. Эффект Баркгаузена 31
1.4.4. Коэрцитиметрический метод 31
1.4.5. Феррозондовый метод контроля (в пассивном варианте)
1.5. Влияние структурно-чувствительных параметров металла на магнитные свойства и результаты оценки НДС металлических конструкций 36
1.6. Анализ методов оценки НДС МК и задачи исследований 56
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ 62
2.1. Обоснование и выбор материала исследования 62
2.2. Методика применения пассивного феррозондового метода при контроле формирования микроструктур, характерных для поставляемого заводского проката и структурной неоднородности сварных соединений 66
2.3. Методика металлографического анализа и математической обработки экспериментальных данных 77
2.4. Методика механических испытаний 79
2.5. Методика измерения напряженности магнитного поля рассеяния при упруго-пластическом деформировании металла 79
2.5.1. Влияние магнито-механической предыстории металла 82
2.5.2.. Влияние немагнитного защитного покрытия 84
2.6. Методика статистической обработки и интерпретации данных 88
2.7. Методика косвенного определения напряжений в элементах крупномасштабных моделей пассивным феррозондовым методом 94
Выводы по главе 2 99
ГЛАВА 3. МАГНИТНЫЙ КОНТРОЛЬ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ В
КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЯХ ПРИ ДЕФОРМАЦИОННОМ, ДЕФОРМАЦИОННО-ТЕРМИЧЕСКОМ И ТЕРМИЧЕСКОМ ВОЗ
ДЕЙСТВИЯХ 101
3.1. Предпосылки для получения исходных микроструктур, характерных для поставляемого заводского проката и структурной неоднородности сварных соединений 101
3.2. Влияние холодной пластической деформации на структуру и магнитные свойства малоуглеродистых и низколегированных сталей 103
3.3. Структурные изменения в сталях при рекристаллизационном отжиге и их влияние на напряженность магнитного поля рассеяния 110
3.4. Магнитный контроль структурных превращений в конструкционных сталях с различным химическим составом и исходной микроструктурой при термоциклической обработке 117
Выводы по главе 3 138
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И СТРУКТУРНОГО СО СТОЯНИЯ СТАЛЕЙ НА НАПРЯЖЕННОСТЬ МАГНИТНОГО ПО ЛЯ РАССЕЯНИЯ ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ УПРУГОМ ДЕФОРМИ РОВАНИИ 140
4.1. Влияние внутренних напряжений при упругой деформации растяжением
и сжатием на магнитный параметр Нр 140
4.2. Механизм изменения напряженности магнитного поля рассеяния при упругой деформации 148
Выводы по главе 4 157
ГЛАВА 5. ВЫЯВЛЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ МАГНИТНЫХ, СТРУКТУРНЫХ ИМЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАЛОУГЛЕРОДИСТЫХ И
НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ПРИ УПРУГО-ПЛАСТИЧЕС КОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ 160
5.1. Влияние химического состава и исходной микроструктуры сталей на напряженность магнитного поля рассеяния 160
5.2. Влияние структурно-чувствительных параметров сталей на изменение доменной структуры 170
5.3. Механизм изменения напряженности магнитного поля рассеяния при пластической деформации 180
5.4. Регрессионный анализ и разработка графических и аналитических зависимостей безразмерных параметров напряженности магнитного поля рассеяния и внутренних напряжений 197
Выводы по главе 5 216
ГЛАВА 6. МАГНИТНЫЙ КОНТРОЛЬ И ОЦЕНКА НДС МЕТАЛЛОКОН СТРУКЦИЙ С УЧЕТОМ СТРУКТУРНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И КИНЕТИКИ РАЗВИТИЯ КОРРО
ЗИОННЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ 218
6.1. Влияние различных факторов на работоспособность сварных МК 218
6.2. Магнитный контроль упругого НДС сварных соединений 223
6.3. Оценка НДС металла с коррозионными повреждениями феррозондовым методом (в пассивном варианте) 232
6.4. Моделирование процесса разрушения металлических конструкций, эксплуатируемых в коррозионных средах 237
6.5. Оценка применимости математических моделей коррозионного износа при расчете долговечности крупномасштабной модели сварной фермы 244
Выводы по главе 6 250
ГЛАВА 7. МЕТОДИКА МАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬ НО-РАСЧЕТНОЙ ОЦЕНКИ НДС КРУПНОМАСШТАБНЫХ МО ДЕЛЕЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ 252
7.1. Предпосылки косвенного определения внутренних напряжений в элементах моделей феррозондовым методом (в пассивном варианте) 252
7.2. Методика определения внутренних напряжений в элементах моделей с использованием эффекта магнитоупругости 256
7.3. Экспериментальная и расчетная оценка НДС 257
Выводы по главе 7 281
ГЛАВА 8. ОЦЕНКА И РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ МК С ПРИМЕНЕНИЕМ ПАССИВНОГО ФЕРРОЗОНДОВОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ 283
8.1. Основы методологии оценки остаточной долговечности при контроле I
технического состояния МК с применением феррозондового метода (в пассивном варианте) : 283
8.2. Разработка схемы контроля технического состояния и методики косвенного определения внутренних напряжений пассивным феррозон-довьгм методом 289
8.3. Экспериментально-расчетная оценка НДС промышленных МК с применением комплекса приборов и методов контроля 295
8.4. Усиление элементов конструкций в опасных зонах концентрации напряжений восстановительной термоциклической обработкой с поэтапным магнитным контролем структурных превращений 302
8.5. Магнитный мониторинг НДС промышленных МК в выявленных опасных зонах концентрации напряжений 306
Выводы по главе 8 313
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 314
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 315
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 318
Введение к работе
Актуальность. 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. По данным [184] 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.
Известно, что около 90 % МК являются сварными, поэтому надежная и безопасная эксплуатация сварных металлических конструкций в значительной степени зависит от состояния сварного соединения. Как показывает статистика, 70...80 % отказов МК связано со сварными соединениями, хотя объем зоны сварных соединений в сварных конструкциях не превышает 1,0...1,5 % от общего объема [9].
Анализ показывает, что наиболее распространенными местами разрушений сварных конструкций являются области сварного шва и зоны термического влияния (ЗТВ). Даже при отсутствии дефектов эти зоны являются концентраторами напряжений: в процессе охлаждения при сварке наблюдается резкий перепад температур, который приводит к изменению микроструктуры в области сварного шва и околошовной зоны, появлению различных включений, термических напряжений и трещин.
Одной из важных характеристик малоуглеродистых и низколегированных сталей, работающих при низких температурах, является температура перехода из вязкого в хрупкое состояние, которая значительно зависит от исходной структуры металла: чем меньше размер зерен - тем выше ударная вязкость и пластичность стали при низких температурах [58]. Накопленный опыт показывает, что в некоторых случаях сталь, выбранная в соответствии с требованиями нормативных документов, не обеспечивает надежную работу металлических конструкций с точки зрения хрупких разрушений [171]. Так, например, 1 января 2003 г. в здании электросталеплавильного цеха ОМЗ "Спецсталь" (бывший мартеновский цех Ижорского завода, г. Колпино) при температуре наружного воздуха ниже -30 °С произошло обрушение 30-метровой подстропильной фермы и опирающихся на нее 8 стропильных ферм шихтового и печного пролетов.
Эксплуатируемые МК могут Иметь различную микроструктуру не только в разных частях конструкции, но и в отдельных ее элементах, в частности, в сварных соединениях, которая в процессе эксплуатации претерпевает существенные изменения. Так как структура определяет механические свойства сталей, то это необходимо учитывать при оценке технического состояния объекта.
В реальных условиях эксплуатации металлические конструкции подвергаются воздействию не только различных нагрузок (статических, динамических, циклических) и перепаду внешних температур, но и различных по агрессивности коррозионных сред, которые приводят к изменению геометрических характеристик конструкций и физико-механических свойств металла. При длительной эксплуатации конструкций в них проходят процессы старения стали, приводящие к значительному изменению механических свойств. Кроме того, элементах и узлах конструкций могут присутствовать дефекты, полученные при изготовлении, транспортировке, монтаже и эксплуатации, способствующие появлению локальных зон концентрации напряжений (ЗКН), наиболее опасные из которых могут привести к разрушению конструкции.
Часто вышеперечисленные факторы могут действовать совместно в самых разных, в том числе и в неблагоприятных сочетаниях, что приводит к значительному снижению несущей способности и уменьшению долговечности и безопасности металлоконструкций [130, 132, 233].
Поэтому снижение надежности и безопасности МК является одной из важнейших причин возникновения предаварийных и аварийных состояний самих конструкций. Разрушение конструкций и отказы промышленного оборудования могут привести к экономическим потерям, соизмеримым со стоимостью основных фондов, человеческим жертвам и необратимым экологическим последствиям.
Достоверная оценка напряженно-деформированного состояния (НДС) металлических конструкций (МК) может быть проведена только при учете таких важных факторов, как:
• исходная микроструктура металлоконструкций;
• зоны концентрации напряжений;
• структурные особенности сварного шва и ЗТВ;
• кинетика развития коррозионных повреждений;
• применяемые методы оценки действующих внутренних напряжений.
Учесть все эти факторы расчетными методами не всегда представляется возможным, так как результаты оценок напряжений в эксплуатирующихся МК с помощью расчетов в ряде случаев значительно расходятся из-за неопределенностей в исходных данных, упрощения расчетных схем конструкций, выбора методик расчета и изменяющихся условий эксплуатации [30, 136]. Реальные условия эксплуатации МК чрезвычайно разнообразны и учесть их расчетами в полной мере невозможно, что доказывает значительное число коэффициентов условий работы, коэффициентов надежности, перечня предельных состояний при прочностных расчетах [86].
Поэтому необходима разработка экспериментальных методов оценки НДС МК, при этом важное значение приобретают косвенные методы определения внутренних напряжений, основанные на использовании различных физических эффектов, в частности, эффекта магнитоупругости [121, 169, 170, 193, 211]. Его использование важно тем, что появляются новые возможности изучения магнитомеханических явлений (эффекта магнитоупругости и магнитомеханического гистерезиса) при нагружении и раз-гружении МК, что позволяет проводить контроль и оценку НДС металла конструкций с целью дальнейшего прогнозирования надежной и безопасной эксплуатации, в том числе в условиях воздействия коррозионных сред с учетом структурной неоднородности сварных соединений.
В связи с вышесказанным, исследования, посвященные оценке действительного напряженно-деформированного состояния МК на основе расширения возможностей и комплексного применения приборов и методов контроля, выявлению закономерностей изменения обратимых и необ ратимых магнитомеханических явлений в малоуглеродистых и низколегированных сталей, разработке новых способов и методик, способствующих повышению степени достоверности результатов измерений и исследований в целом, представляются весьма актуальными.
Методы исследования. Задачи диссертационных исследований решены на основе применения апробированных и корректных разрушающих и неразрушающих методов контроля: механических испытаний, металлографического анализа, термической обработки сталей, магнитного контроля, а также численных методов расчета, математического моделирования и прикладной статистики и интерпретации статистических данных. При оценке работы реальных конструкций использовались экспериментальные данные, полученные на лабораторных образцах и крупномасштабных моделях металлических конструкций.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:
1. Разработаны теоретические и практические положения по оценке фактического 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 с применением феррозондового (в пассивном варианте) и других разрушающих и неразрушающих методов контроля.
2. Разработаны и экспериментально проверены способы магнитного контроля формирования микроструктур с заданной степенью дисперсности, характерных для поставляемого заводского проката, в малоуглеродистых и низколегированных сталях с различной исходной микроструктурой в процессе деформационного, деформационно-термического и термического воздействий по остаточной намагниченности в магнитном поле Земли.
3. Установлена корреляционная связь между напряженностью магнитного поля рассеяния Нр и действующими внутренними напряжениями при малоцикловом упруго-пластическом деформировании сталей с учетом их химического состава и исходной микроструктуры, позволяющая
определять внутренние напряжения в элементах эксплуатируемых металлических конструкций.
4. С использованием теории ферромагнетизма и механизма упрочнения металлов при пластической деформации предложен механизм, учитывающий изменение магнитного параметра Н от уровня действующих внутренних напряжений, химического состава и исходной микроструктуры сталей при циклическом упруго-пластическом деформировании в условиях воздействия слабых магнитных полей (область Рэлея).
5. Разработаны и апробированы частные (при известных микроструктуре и химическом составе сталей) и обобщенные графические и аналитические регрессионные зависимости безразмерных параметров Нр IНр и сг/сгод, позволяющие повысить степень достоверности при оп ределении фактических значений внутренних напряжений в опасных зонах концентрации напряжений при нагружении и разгружении элементов конструкций и сварных соединений.
6. Разработаны способы определения внутренних напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов, основанные на ступенчатом по вышении (снижении) внешних нагрузок и измерении напряженности магнитного поля рассеяния Нр, позволяющие по характеру и величине ее приращения определять степень опасности зон КН и величину действующих в них внутренних напряжений.
7. Разработана экспериментально-расчетная методика оценки фактического напряженно-деформированного состояния металлических конструкций с учетом структуры и химического состава металла, структурной неоднородности зон сварных соединений и кинетики развития коррозионных повреждений по остаточной намагниченности с применением комплекса приборов и методов контроля.
8. На основании экспериментальных исследований разработаны способы усиления элементов металлических конструкций и сварных соединений путем проведения восстановительной термической обработки в локальных зонах концентрации напряжений с целью повышения прочностных свойств металла за счет направленного изменения микроструктуры с ее поэтапным магнитным контролем.
9. Показана принципиальная возможность и разработана методика контроля напряженно-деформированного состояния элементов металлических конструкций в выявленных опасных зонах концентрации напряжений за счет проведения периодического или постоянного магнитного мониторинга.
Степень обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается: корректностью поставленных задач; выбором наиболее распространенных промышленных марок сталей различных классов прочности и антикоррозионных свойств, а также крупномасштабных модельных конструкций, реализующих основные схемы нагружения; применением оборудования, приборов и инструментов, прошедших метрологические поверку и калибровку; использованием апробированных методов, методик и способов контроля; достоверностью и представительностью исходных, расчетных и экспериментальных данных, а также использованием фундаментальных положений классической теории ферромагнетизма и общепринятых в механике материалов теорий, гипотез и допущений. Положения, выносимые на защиту:
1. Теоретические и практические положения по оценке фактического напряженно-деформированного состояния металлических конструкций из малоуглеродистых и низколегированных сталей по остаточной намагниченности в слабом магнитном поле Земли (область Рэлея), включающие в себя выявление зон концентрации напряжений, оценку степени их опасности и определение в них действующих внутренних напряжений.
2. Режимы получения микроструктур с заданной степенью дисперсности в малоуглеродистых и низколегированных сталях, контролируемые магнитным методом, необходимые для обеспечения достоверности результатов контроля технического состояния эксплуатируемых МК, и на их основе рекомендации по усилению элементов эксплуатируемых металлических конструкций и сварных соединений по разработанным режимам термической обработки.
3. Взаимосвязь действующих в металле внутренних напряжений и напряженности магнитного поля рассеяния на поверхности зоны контроля в условиях естественного намагничивания в магнитном поле Земли с учетом химического состава и структурного состояния конструкционных сталей в условиях малоциклового упруго-пластического деформирования, установленная по результатам широкомасштабных экспериментальных исследований.
4. Механизм, объясняющий взаимосвязь структурных, механических и магнитных параметров при малоцикловом упруго-пластическом деформировании малоуглеродистых и низколегированных сталей в слабых магнитных полях (область Рэлея), позволяющий охарактеризовать физическую сущность обратимых и необратимых магнитомеханических явлений (магнитоупругий эффект и магнитомеханический гистерезис).
5. Частные и обобщенные графические и аналитические регрессионные зависимости безразмерных параметров напряженности магнитного поля рассеяния Нр1Нр и внутренних напряжений а/а02, позволяющие определять действующие внутренние напряжения в элементах металлических конструкций и сварных соединениях из малоуглеродистых и низколегированных сталей при их ступенчатом нагружении (разгружении).
6. Экспериментально-расчетная методика оценки фактического и прогнозируемого напряженно-деформированного состояния металлических конструкций, позволяющая на основе комплексного применения магнитного и других методов контроля учесть в расчетах фактические значения внутренних напряжений, определенные в опасных зонах концентрации напряжений.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в разработке и апробации:
1. Способов контроля по остаточной намагниченности в области Рэлея структурных изменений при проведении деформационной, деформационно-термической и термической обработок изделий в строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности, а также режимов получения микроструктур с заданной степенью дисперсности в малоуглеродистых и низколегированных сталях, типичных для заводского проката.
2. Способов определения внутренних напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов, позволяющих выявлять опасные зоны концентрации напряжений в процессе ступенчатого нагружения (разгружения) элементов конструкций по характеру и величине приращения напряженности магнитного поля рассеяния АНр,
защищенных 3 патентами РФ на изобретения. Способы могут быть использованы при оценке фактического напряженно-деформированного состояния эксплуатируемых металлических конструкций и оборудования и позволяют повысить их эксплуатационную безопасность и выявить резервы несущей способности за счет повышения степени достоверности и точноЗти рез ешішіешжойфіщянньгх графических и аналитических зависимостей структурных, магнитных и механических параметров малоуглеродистых и низколегированных сталей при определении в контролируемых зонах концентрации напряжений действующих внутренних напряжений, и использовании их в прочностных расчетах при оценке напряженно-деформированного состояния эксплуатируемых металлических конструкций.
4. Способов усиления сварных соединений и элементов эксплуатируемых металлических конструкций из малоуглеродистых и низколегированных сталей, основанных на проведении контролируемой термической обработки в опасных зонах концентрации напряжений по разработанным режимам, с их поэтапным магнитным контролем, с целью повышения прочностных свойств металла и предотвращения аварийных ситуаций.
5. Экспериментально-расчетной методики оценки напряженно-деформированного состояния металлических конструкций, включающей выявление зон концентрации напряжений, локальных и общих коррозионных повреждений и структурной неоднородности сварных соединений, и проведение последующего магнитного мониторинга действующих напряжений в опасных зонах концентраций напряжений.
6. Научных положений, выводов и рекомендаций, сформулиро ванных в диссертационной работе, в промышленных условиях при оценке напряженно-деформированного состояния несущих металлических конструкций главного корпуса и сопутствующих сооружений локомотивного депо ЗАО "Локомотив" ДО ОАО "Кировский завод" (Санкт-Петербург), а также в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета при преподавании автором учебных курсов дисциплин "Технология конструкционных материалов", "Материа доведение" и "Технология сварки мостовых конструкций" студентам строительных и машиностроительных специальностей.
Апробация работы. Основные научные положения, выводы и рекомендации по материалам диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях и семинарах: на IV Всероссийском с международным участием научно-практическом семинаре "В мире нераз-рушающего контроля и диагностики материалов, промышленных изделий и окружающей среды" (СПб., 2003); на семинаре "Сварочные технологии", посвященному 160-летию Котлонадзора России (СПб., 2003); на научном семинаре в ГОУ ВПО СПбГТУ (2007), на 56-61-ой международных научно-технических конференциях молодых ученых (аспирантов, докторантов) и студентов "Актуальные проблемы современного строительства" (СПб., 2003-2008); на 60-65-ой научных конференциях профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов ГОУ ВПО СПбГАСУ (СПб, 2003-2008),
Публикации. Основные положения диссертационного исследования отражены в 58 публикациях, в состав которых входят 7 монографий, 3 патента РФ на изобретения; в журналах, включенных в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, опубликованы 22 научные работы.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 8 глав, заключения, основных выводов и списка литературы, включающего 301 наименование. Диссертация изложена на 348 страницах основного текста, содержит 107 рисунков, 16 таблиц и приложение.
