Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблема диагностирования коррозионно-механической повреждаемости металлических сооружений 13
1.1. Эксплуатация РВС в условиях воздействия коррозионно-активных сред 13
1.1.1. Общая характеристика механизмов влияния коррозионных сред 13
1.1.2. Особенности коррозионной повреждаемости РВС и анализ причин отказов 19
1.2. Современные физические методы диагностирования состояния днищ РВС 28
1.3. Коррозионные процессы как источник сигналов АЭ 32
1.4. Обоснование и постановка задачи исследования 48
Глава 2. Материалы, аппаратура и методы, применяемые для исследования 51
2.1. Используемые материалы 51
2.2. Аппаратура, применяемая для регистрации и анализа АЭ... 52
2.3. Методы испытаний 56
Выводы к Главе 2 62
Глава 3. Исследования АЭ характеристик стали 09Г2С при коррозионно - механическом разрушении 63
3.1. Исследования коррозионно - статической трещино-стойкости 63
3.2. АЭ при увеличении активности коррозионных процессов с изменением механической нагрузки 67
3.3. АЭ при увеличении активности коррозионных процессов под действием временного фактора 80
Выводы к Главе 3 84
Глава 4. Расчёт акустического тракта системы АЭ контроля днищ РВС 86
4.1. Волны Лэмба, основные закономерности распространения по РВС 86
4.2. Экспериментальное моделирование процесса распространения волн Лэмба по РВС 105
4.3. Расчет потерь в акустическом тракте 113
Выводы к Главе 4 121
Глава 5. Промышленный АЭ контроль днищ РВС 123
5.1. Процедура подготовки и проведения АЭ контроля днищ РВС 124
5.2. Особенности интерпретации полученных данных и оценки состояния днищ РВС по результатам АЭ контроля 131
5.3. Чувствительность метода АЭ при контроле днищ РВС 141
Выводы к Главе 5 146
Заключение 147
Список используемой литературы 150
Приложение 173
- Общая характеристика механизмов влияния коррозионных сред
- Коррозионные процессы как источник сигналов АЭ
- АЭ при увеличении активности коррозионных процессов с изменением механической нагрузки
- Экспериментальное моделирование процесса распространения волн Лэмба по РВС
Введение к работе
В настоящее время снижение аварийности при эксплуатации оборудования является приоритетной задачей технической политики предприятий, эксплуатирующих опасные производственные объекты. Без достоверного прогнозирования, планирования работ и затрат по содержанию и техническому обслуживанию, надзору за состоянием и ремонту сооружений невозможна безопасная и экономически рациональная их эксплуатация.
Низколегированные конструкционные стали отечественного производства (09Г2С, 10ХСНД, 15ХСНД и др.) и их зарубежные аналоги (ST52, ST37) имеют более высокие механические и лучшие технологические свойства по сравнению с углеродистыми сталями. Поэтому они находят широкое применение при изготовлении несущих металлоконструкций крупных инженерных сооружений, мостов, горнотранспортных машин и других объектов, эксплуатируемых длительный период (20 и более лет) в условиях повышенных динамических нагрузок, колебаний температур, наличия атмосферных осадков и агрессивных коррозионных сред.
Коррозионные разрушения материала под воздействием агрессивной среды в различных областях промышленности часто являются причиной разрушения важных промышленных конструкций, что может иметь катастрофические последствия, как для обслуживающего персонала, так и для окружающей среды. В развитых странах прямые потери от коррозии достигают 4,2% от стоимости валового общественного продукта [71,81,163,166]. Значительные экономические потери и экологический ущерб вызывают повышенный интерес к проблеме познания природы явления, выдвигают задачу проведения дальнейших научных
5 исследований и развития эффективных методов дистанционной
диагностики процесса коррозии непосредственно на объекте в
процессе его эксплуатации.
Как показывает анализ состояния современных физических методов неразрушающего контроля (НК) в настоящее время для решения указанной задачи наибольшая перспектива просматривается в использовании метода акустической эмиссии (АЭ). Дело в том, что процесс коррозионного растрескивания под напряжением (КРН) сопровождается, как известно, излучением акустических сигналов, обнаружение и расшифровка которых составляют основу диагностирования, т.е. суть метода АЭ. Важно при этом особо подчеркнуть, что эффект АЭ при КРН возникает без приложения к объекту контроля дополнительной внешней испытательной нагрузки, что во всех других случаях применения метода АЭ является, как правило, обязательным (а иногда трудновыполнимым) условием.
Однако, несмотря на то, что факт связи КРН с излучением АЭ достаточно хорошо известен по лабораторным исследованиям ряда металлов, остается немало существенных и нерешенных вопросов, препятствующих продвижению метода АЭ в практику контроля инженерных сооружений. Главные из них можно сгруппировать следующим образом:
Во-первых, отсутствуют приемлемые с точки зрения использования современной аппаратуры критерии оценки сигналов АЭ, по которым можно отличить источники, связанные с КРН, от акустических сигналов иного происхождения, которые составляют, как принято говорить, шумовой фон (вопрос об информативных параметрах АЭ).
Во-вторых, полное отсутствие сведений о расчетах акустического тракта конкретных объектов, делающих возможным
перенесение данных лабораторных исследований в практику натурных испытаний (вопросы о затухании сигнала, возможных траекториях и скоростях распространения сигнала по объекту, преобразовании волн на границах раздела сред и сварных соединениях).
И, наконец, отсутствие единого методологического алгоритма, выраженного в руководящих документах, утвержденных и согласованных в установленном порядке (вопросы фильтрация акустических шумов, способы и уровни нагружения, общие критерии оценки результатов контроля).
Настоящая работа представляет собой попытку комплексного решения перечисленных вопросов применительно к такому типу объектов как резервуары вертикальные стальные (РВС) для хранения нефти и нефтепродуктов. РВС изготавливаются из низколегированной стали 09Г2С, а их днища, находящиеся постоянно под действием агрессивной среды и механических нагрузок, являются одним из основных факторов снижения эксплуатационной надежности из-за высокой коррозионной повреждаемости.
Опыт эксплуатации стальных резервуаров показывает, что внутренняя поверхность, как правило, подвергается равномерной и язвенной коррозии. Скорость равномерной коррозии составляет 0,04-1,1 мм/год. Скорость язвенной коррозии превышает равномерную в 3-6 раз и может достигать 4-5 мм/год [80]. Такие скорости коррозионных процессов сокращают межремонтные сроки эксплуатации РВС, которые не превышают 2-3 лет [26], а в некоторых случаях межремонтные сроки составляют лишь 1 год. При этом расходы на ремонт могут составлять от 20 до 80% капитальных затрат на строительство объектов.
7 К наиболее тяжелым последствиям приводит коррозия днища и
нижних поясов РВС, контактирующих со слоем подтоварной воды Появление даже одиночного сквозного поражения приводит к утечке хранимого продукта, размыву основания и уменьшению устойчивости резервуара [18]. Отказы в виде утечки нефтепродуктов являются наиболее часто встречающимися дефектами эксплуатируемых резервуаров. Как показывает практика эксплуатации РВС, такие дефекты не повышают риска потери полной работоспособности, но приносят ощутимые потери. Ущерб при отказах в виде утечек, характеризуемый снижением качества функционирования, определяется потерей нефти (или нефтепродуктов) и стоимостью восстановительных работ. Экологический ущерб от отказов РВС (даже без учета восстановительных расходов) может составлять двадцатикратную стоимость самих конструкций [127]. Данные о величинах потерь приведены в работе [64]. При утечке жидкости со скоростью 2 капли в секунду ежемесячные потери составляют до 130 литров, а при утечке капля-струя 200 литров. Струя, текущая из отверстия диаметром 2,5 мм при давлении 0,1 МПа, приводит к потере до 25000 литров в месяц, а при диаметре 4,8 мм - 40000 литров в месяц. В этой связи актуальной задачей является оперативное выявление мест эксплуатационного износа днищ РВС без вывода его из эксплуатации.
При эксплуатации резервуаров течи на стенке выявляются без особого затруднения и быстро устраняются. Течи на днище являются трудно обнаруживаемыми и наиболее опасными отказами. Если информацию о толщине листов стенки резервуара можно получить при обследовании посредством ультразвуковой толщинометрии (хотя толщина листа в ограниченном количестве отдельно взятых точек не характеризует его качество), то днище РВС эксплуатируется до
8 проведения осмотра с внутренней стороны в условиях интенсивной
коррозии внутренней поверхности при фактическом отсутствии
контроля, а значит и информации об его состоянии. В условиях
хранения качественных нефтепродуктов износ резервуара в
наибольшей степени определяется именно процессами образования
эксплуатационных дефектов в днищах. Единственной информацией
для днищ резервуаров в периоды между проведениями осмотров с
внутренней стороны может быть лишь отсутствие или наличие
содержимого РВС около его основания, что может свидетельствовать
о вероятности утечки.
Очистка РВС от донных отложений - дорогостоящий процесс. По данным работы [169] затраты на очистку одного РВС в США могут превышать 1 млн. дол.
С точки зрения экономии денежных средств для предприятий-владельцев резервуаров перспективным направлением [147] при контроле днищ РВС для нефти и нефтепродуктов является применение метода АЭ. АЭ контроль днищ позволяет оперативно выявлять места их эксплуатационного износа, обеспечивать более надежную работу РВС, определять очерёдность вывода резервуаров из эксплуатации для очистки от донных отложений для проведения осмотра с внутренней стороны и избежать неоправданных затрат по очистке РВС, находящихся в относительно хорошем состоянии.
Наличие большого парка РВС в России и оптимизация расходов предприятий на его содержание в рабочем состоянии диктует необходимость применения методик раннего предупреждения аварийных ситуаций без вывода технических устройств из эксплуатации и ведёт к повышению их экономически рациональной эксплуатации на опасных производственных объектах.
9 Цель диссертационной работы: На основе проведения
лабораторных исследований АЭ характеристик коррозионно-
механического разрушения стали 09Г2С; теоретических расчетов
акустического тракта объекта контроля; экспериментов по
моделированию процессов прохождения и затухания упругих волн,
учитывающих особенности конструкции и эксплуатации объекта,
разработать методику АЭ диагностики коррозионно-механической
повреждаемости и прогнозирования остаточного ресурса днищ РВС
для нефти и нефтепродуктов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Определены информативные параметры АЭ, позволяющие для низколегированной стали 09Г2С отличить более активный коррозионно-механический процесс от менее активного. Установлено, что более активный процесс сопровождается регистрацией сигналов АЭ с большей длительностью и суммарным счётом при незначительном росте амплитуды.
Впервые теоретически рассчитан акустический тракт системы АЭ контроля днищ РВС для возможных путей распространения волн АЭ по объекту. Приведены количественные оценки потерь сигнала АЭ для различных траекторий.
Разработана научно обоснованная технология АЭ контроля днищ РВС для нефти и нефтепродуктов.
Впервые экспериментально получена эмпирическая зависимость средней активности источников АЭ от скорости локальной коррозии для резервуаров товарной нефти объемом 10000 м3, которая является основой вероятностной оценки состояния днища, прогнозирования сроков возможной дальнейшей эксплуатации или последующего АЭ контроля.
10 Практическая ценность и реализация результатов работы
На основе лабораторных исследований коррозионно-механического разрушения низколегированных сталей, теоретических и экспериментальных исследований основных закономерностей распространения волн Лэмба по днищу РВС в диапазоне частот (г) и толщин (Л), удовлетворяющих условию #7=0,15 мм-МГц, изучения опыта АЭ диагностики днищ резервуаров и промышленных экспериментов, был разработан методический документ «Технология АЭ контроля днищ РВС для нефти и нефтепродуктов», который успешно применяется на нефтяных месторождениях ОАО «Славнефть-Мегионнефтегаз». Подход к оценке днищ РВС в зависимости от коррозионной активности источников АЭ позволяет без дополнительного нагружения в эксплуатационных условиях оперативно выявлять места с сильными коррозионными повреждениями. Разработанный методологический подход к АЭ диагностике днищ может быть применён для резервуаров различной вместимости и технологического назначения.
Апробация результатов работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: конференциях научно-технического творчества молодёжи ОАО «Славнефть-Мегионнефтегаз» (Мегион, 1997, 2002); 1-м семинаре пользователей «Приборы и технологии фирмы Physical Acoustics Corporation» (Москва, 2001); 3-й Международной конференции «Диагностика трубопроводов» (Москва, 2001); 23 Уральской конференции «Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами» (Тюмень, 2003).
Публикации
По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, из них 4 статьи в академических рецензируемых
изданиях и 3 публикации в трудах конференций (в том числе международных).
Структура и объём работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 208 наименований и приложения. Основная часть диссертации изложена на 173 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка и 9 таблиц.
Автор защищает:
Результаты лабораторных исследований параметров АЭ при коррозионно-механическом процессе разрушения низколегированной стали 09Г2С.
Результаты исследования в лабораторных условиях процесса излучения, трансформации и приема волн Лэмба на модели резервуара.
Методику расчета акустического тракта системы АЭ контроля днищ РВС и проведенные оценки потерь при различных путях распространения сигналов АЭ.
Найденную экспериментальным путем эмпирическую зависимость средней активности источников АЭ от скорости локальной коррозии для резервуаров объемом 10000 м3.
Технологию АЭ контроля днищ РВС для нефти и нефтепродуктов.
Проведенную оценку чувствительности метода АЭ по обнаружению коррозионных трещин при контроле днищ РВС.
Автор выражает признательность доктору физико-математических наук, профессору Чолах СО. и кандидату физико-математических наук, с.н.с. Иевлеву И.Ю. за помощь в постановке задач, направлении и методологии исследований; докторам технических наук Недзвецкой О.В., профессору Буденкову Г.А.,
12 профессору Сагарадзе В.В., кандидату технических наук Филиппову Ю.И. за научные консультации и помощь в проведении лабораторных исследований; специалистам Лаборатории неразрушающего контроля и диагностики ОАО «Славнефть-Мегионнефтегаз» Шульгатому СВ. и Вотякову С.Н. за помощь в проведении промышленных экспериментов.
Общая характеристика механизмов влияния коррозионных сред
Многообразие видов коррозионных повреждений определяется свойствами материала, воздействующей среды, электродным потенциалом, уровнем приложенных напряжений. Определив эти факторы на плоскости пространствами признаков, можно наложением зон выявить единственный механизм коррозии [171,177]. На рис.1.1 приведены виды коррозии при описанном подходе [105].
В результате анодного процесса металл разрушается в нейтральных и, особенно, в кислых средах [143,153]. Продуктом коррозии железа являются смесь гидроксида железа (II) и гидроксида железа (III) переменного состава, который колеблется в зависимости от условий протекания процесса. Ржавчина покрывает металл рыхлым слоем, очень слабо защищающим металл от коррозии.
При катодном процессе происходит поглощение (ассимиляция) на катодном участке ионами водорода или молекулами кислорода появившихся в металле избыточных электронов. В первом случае процесс протекает по схеме: 2е + гн - 2# - н2 Во втором случае - по схеме: 4с + 2Н2() + 02 - 4GH
В кислых средах идёт процесс с водородной деполяризацией, при контакте металла с водой и нейтральными растворами наблюдается коррозия с кислородной деполяризацией [2]. Коррозия с кислородной деполяризацией широко распространена и в определённой степени обуславливает процесс зарождения и развития трещин при коррозионной усталости и растрескивании.
При прочих равных условиях наиболее агрессивными являются сероводородсодержащие среды. Их главная опасность заключается в сопутствующем коррозии усилении наводороживания металла, приводящем к его охрупчиванию и коррозионному растрескиванию (КР). Сероводородная коррозия металла в основном обусловлена присутствием водной фазы. Увеличение ее концентрации в эксплуатационной среде способствует возрастанию коррозионных потерь.
На металлах группы железа сероводород интенсифицирует протекание катодного и анодного процессов. Ускоряя процесс ионизации атомов железа, он стимулирует наводороживание, ускоряющее разряд ионов водорода. Повышению скорости коррозии сталей в сероводородсодержащих средах способствуют увеличение электрической проницаемости и протонной проводимости воды, а также снижение РН среды.
В кинетических характеристиках анодной и катодной реакций качественную и количественную роль играет электрохимическая гетерогенность поверхности металла. Важнейшими источниками электрохимической гетерогенности являются границы зёрен (ввиду повышенной концентрации примесей), неметаллические включения и границы различных фаз [135]. При коррозии возможно неравномерное распределение скорости анодного процесса на поверхности металла, обуславливающее преимущественное растворение отдельных фаз, что приводит к локализации коррозии [72,77].
Электрохимическую коррозию по результатам воздействия на металл можно разделить на две группы: общую (сплошную) и локальную коррозию. Наиболее опасной для деталей и конструкций является локальная коррозия. Опасность её в том, что при сравнительно небольшой потере металла прочность и функциональные характеристики оборудования существенно снижаются. К локальной коррозии следует отнести и коррозию под напряжением [76].
Коррозия, усиленная механическими напряжениями, может происходить при воздействии разнообразных рабочих сред, включая слабые водные электролиты, растворы кислот, щелочей, нитратов, хлоридов, а также сероводородсодержащие среды [135]. КР связано с действием растягивающих напряжений и носит обычно характер нормального отрыва [135]. Кинетика КР определяется в значительной мере условиями пассивации и репассивации поверхности изделий, обусловленными спецификой образования и разрушения под напряжением защитных оксидных плёнок. Механизм повреждаемости при КР может иметь различный характер, зависящий от природы исследуемой системы металл - среда, а также уровня напряжений. Анализ разнообразных случаев и видов КР, встречающихся в системах сплав- среда, приведён в работах [1,23,76,117,135]. Наиболее полно исследовано воздействие на процесс растрескивания конструкционных сталей водных коррозионных сред. Выделяют три основных фактора влияния коррозионной среды на длительную статическую трещиностойкость материалов: адсорбционный, наводороживание материала вблизи вершины трещины и электрохимическую коррозию [100]. Адсорбция поверхностно - активных веществ на поверхности высоконапряжённого материала на кончике трещины может приводить к понижению поверхностной энергии и облегчению разрушения (эффект Рибендера) [86]. Механизм адсорбционного понижения прочности - ведущий в КР низкопластичных материалов. Его особенностью является быстродействие, что затрудняет реализацию других механизмов влияния активных сред.
Авторы концепции водородного охрупчивания основную причину разупрочняющего воздействия среды видят в так называемой водородной хрупкости материалов [75,91,178]. Согласно наиболее распространённой точке зрения [187,203], водородный механизм влияния коррозионной среды прЪявляется в понижении уровня разрушающих напряжений (падение когезивной прочности).
До недавнего времени считалось, что рост трещин по механизму водородного охрупчивания при воздействии водных сред возможен лишь в том случае, если термодинамические условия в вершине трещины (РН и электродный потенциал) удовлетворяют уравнению водородного электрода на диаграмме Пурбе, т.е. реализуются условия разряда ионов водорода и их проникновение в металл. В ходе прямых измерений, а также модельных экспериментов и расчётов установлено, что электрохимическая ситуация в вершине трещины при испытании в водных растворах всегда благоприятствует наводороживанию. В частности, в нейтральных и слабощелочных растворах происходит подкисление среды в трещине вследствие процессов гидролиза продуктов коррозии [165], что предопределяет, согласно диаграмме Пурбе, возможность выделения водорода. При достижении критической (для данного уровня напряжений) концентрации водорода происходит разрыв межатомных связей, т.е. хрупкое разрушение [92]. Это означает, что уменьшение сопротивления развитию трещин из-за водородного охрупчивания связано с реализацией силового критерия локального разрушения.
Коррозионные процессы как источник сигналов АЭ
АЭ - это явление излучения волн напряжения в твёрдом теле, происходящее при протекании каких-либо внутренних процессов и возникающее вследствие освобождения энергии. Часть этой энергии преобразуется в упругие волны, которые распространяются в теле и могут быть обнаружены на его поверхности с помощью высокочувствительных датчиков. ГОСТ 27655-88 [40] определяет АЭ как излучение материалом механических волн, вызванное динамической локальной перестройкой структуры материала. Применение АЭ в науке и технике базируется на представлении, что процессы деформации и разрушения служат источниками эмиссии, сигналы которой могут давать детальную информацию об этих процессах.
В настоящее время опубликовано много обзорных работ и монографий, посвященных как решению частных задач в области АЭ, так и методу в целом [3,5,9,13,14,43,52,63,105,106,113]. Развитие АЭ исследований происходит по двум основным направлениям: - изучение физики самого явления и его связи с кинетикой разрушения, включающее моделирование сигналов АЭ и установление функциональных зависимостей между параметрами АЭ и процессами деформирования и разрушения; - применение АЭ для НК прочности материалов и изделий, диагностики состояния технических устройств. В рамках первого направления явление АЭ используется при решении задач в области физики твёрдого тела, физики прочности и пластичности, механики разрушения. Можно отметить использование АЭ в качестве весьма тонкого инструмента исследования для изучения движения дислокаций, фазовых превращений в металлах, термоупругих эффектов, магнитоупругих явлений [35,46,63,109,102].
Для второго направления характерно применение АЭ при НК механических свойств изделий при различных способах их нагружения в упругой области [83]. Второе направление связано также с решением практических задач диагностики промышленных объектов и технологических процессов (режимов сварки, проката, термообработки, сверления, процессов трения, нанесения покрытий и т.д. [12,62,70,99,116]). Метод АЭ используется для обнаружения возникающих и развивающихся трещин, обнаружения утечек различных веществ [50], для диагностики процесса коррозии и оценки состояния повреждённых ею конструкций [11,105], для оценки местных расслоений в композитных материалах, что очень сложно сделать традиционными методами НК.
Проблемы, решаемые в рамках каждого из указанных направлений, тесно взаимосвязаны, и во многом определяют методологию их решения. Подходы к решению задач АЭ диагностики опираются согласно [199] либо на чисто статистические методы исследования, включающие проведение большого количества испытаний и построение статистических моделей, либо на моделирование сигналов АЭ от различных источников (видов повреждений материала) и установление функциональной зависимости между параметрами АЭ и реальными процессами в материалах. В решении практических задач диагностики использование явления АЭ наиболее успешно утвердило себя при определении координат опасных участков разрушения. Более сложной и трудоёмкой представляется задача АЭ оценки степени опасности выявленных дефектов, поиска универсальных количественных АЭ показателей состояния конструкций, прогнозирования их несущей способности и остаточного ресурса. Её решение в настоящее время ведётся преимущественно с позиций статистических методов исследований, не требующих фундаментальных знаний об определяющих состояние объекта процессах и позволяющих судить о нем по результатам натурных или стендовых испытаний аналогов. При этом по мере проведения испытаний абстрактная статистическая модель объекта диагностики наполняется конкретным физическим содержанием. Тем не менее, согласно [129] АЭ метод может выступать как самостоятельный, если по его оценке, полученной на основании анализа зарегистрированных АЭ данных от источников (дефектов), состояние объекта контроля признаётся удовлетворительным. В противном случае привлекаются другие методы НК для дополнения оценки состояния объекта геометрическими параметрами дефектов (размером, ориентации, глубине залегания и т.д.) [45].
Метод АЭ характеризуется следующими особенностями, которые в ряде случаев обеспечивают его преимущество перед другими методами НК [45,63]: - Высокая чувствительность к росту усталостных трещин (до доли микрон за один цикл нагружения); - Возможность выявления развивающихся дефектов, в т.ч. в зонах конструкций, недоступных никаким другим методам НК; - Возможность дистанционного интегрального контроля состояния крупногабаритных объектов с помощью стационарно расположенных преобразователей АЭ (ПАЭ); - Возможность контроля технических устройств без полной разборки и снятия изоляционного покрытия и защитных элементов, в том числе при их подземном и подводном залегании; - Оперативность оценки состояния объекта; - Возможность контроля широкого класса материалов и изделий (от монокристаллов до композиционных материалов и грунтов).
К основным недостаткам метода АЭ относятся [129]: - необходимость создания напряженного состояния, инициирующего в материале работу источников АЭ. Для этого объект контроля подвергается нагружению силой, давлением, температурным полем и т.д. Выбор и исполнение режима нагружения объекта АЭ контроля, гарантирующего инициирование акустической активности дефектов, является одной из важных методических задач [45]; - трудность выделения сигналов АЭ из помех. Это объясняется тем, что сигналы АЭ являются шумоподобными, поскольку АЭ есть стохастический импульсный процесс. Согласно [45] при промышленном АЭ контроле более 90% зарегистрированных сигналов относится к помехам (акустическим, электромагнитным, радио-, вибрационным и т.д.).
АЭ при увеличении активности коррозионных процессов с изменением механической нагрузки
Первым этапом исследования стали 09Г2С методом АЭ было проведение лабораторных испытаний процесса КРН при увеличении активности коррозионных процессов с изменением механической нагрузки. После добавления агрессивной среды образцы выдерживались 24 часа при различном статическом нагружении. При регистрации сигналов АЭ на экране осциллографа визуально наблюдались сигналы двух типов - непрерывные (близки к белому шуму) и дискретные, причём амплитуда дискретных сигналов больше. Изменения суммарного счёта АЭ (N) и скорости счёта АЭ (N), зарегистрированные в течение первого часа для образца, нагруженного на величину 0,57бти (бти - предел текучести при изгибе), приведены на рис.3.3. Как видно из рисунка, можно условно выделить три стадии процесса: начальную (0-200 с); инкубационный период, характеризующийся небольшими значениями скорости счёта (200-2300 с); участок с увеличенной скоростью счёта (после 2300 с). После первого часа регистрации и до конца наблюдения угол наклона кривой суммарного счёта менялся незначительно.
В целом описанная картина изменения характера регистрации АЭ аналогична описанной ранее в работах [9,51] для сплава Д16Т и стали марки Х18Н10Т соответственно. Авторы указанных работ связывают третью стадию с началом интенсивного растрескивания, которое впоследствии завершается образованием основной коррозионно-механической трещины.
Регистрация сигналов АЭ для образцов, выдержанных в коррозионной среде 24 часа при разных нагрузках, показала, что со временем устанавливается определённая скорость счёта АЭ для каждого значения нагрузки. Причём, с ростом нагрузки увеличивается угол наклона прямой, аппроксимирующей график суммарного счёта (рис.3.4), а, следовательно, возрастает и скорость счёта АЭ. Если
согласиться с утверждением авторов исследования [184] о том, что число вспышек эмиссии пропорционально скорости коррозионно-механической реакции, то в нашем случае это будет означать, что с возрастанием механической нагрузки увеличивается скорость коррозионно-механического процесса, которую можно оценить по величине суммарного счёта АЭ и скорости счёта АЭ. Увеличение интенсивности растворения металла приводит к увеличению количества регистрируемых сигналов, что может быть также объяснено с точки зрения принципа кооперативности при одновременном срабатывании большого числа источников АЭ.
В результате металлографического исследования образцов после проведённых экспериментов было выявлено развивающееся в первую очередь растрескивание и отслаивание окисного слоя, который всегда существует на поверхности горячекатаного листа в стали 09Г2С (рис. 3.5, а). Трещины в окисленном поверхностном слое могут служить концентраторами напряжений, и дальнейшее коррозионно-механическое повреждение стали может быть связано с развитием этих трещин в глубь образца. Под окисленным слоем в "здоровом" металле (или в стали, предварительно очищенной от поверхностного окисного слоя) наблюдается формирование коррозионных бороздок в направлении, перпендикулярном вектору растягивающих напряжений (рис. 3.5, б). Многие коррозионные бороздки проходят через цепочки неметаллических включений. В дальнейшем эти углубления также могут служить зародышами трещин. Такое расположение трещин относительно направления растяжения типично, в частности, для КРН трубных сталей [93]. Подтверждением связи сигналов АЭ с КРН является факт немедленного прекращения регистрации сигналов АЭ при удалении коррозионной среды с поверхности образца или снятии нагрузки. Такой результат характерен для любого периода выдержки образца. Что касается дополнительных источников АЭ при коррозионно-механических процессах, то их по данным ряда работ достаточно много [51,53,105]. Это могут быть сдвиги на границе металла и окисной пленки, растрескивание по растворяющимся граничным областям зерен металла, в том числе и при межкристаллитной коррозии, выделение водорода в виде пузырьков вследствие протекания катодной реакции, пластическая деформация микрообъёмов материала в зоне развивающейся трещины.
Точное сопоставление каждого сигнала определённому источнику АЭ не имеет смысла и, по-видимому, невозможно. Источники могут действовать одновременно как в одном месте, так и в разных точках поверхности образца в процессе коррозии. Однако, с
В работе [112] при детальном исследовании этапов КРН на сварных образцах из стали ВСтЗсп было замечено, что по мере движения от растрескивания поверхностной плёнки к развитию протяжённой сквозной трещины увеличиваются амплитуда и длительность сигналов АЭ. В проведённых экспериментах анализу указанных характеристик также было уделено специальное внимание. к Обработка полученных данных в координатах «максимальная амплитуда сигнала АЭ - уровень нагрузки» и «максимальная длительность сигнала АЭ - уровень нагрузки» показала, что с увеличением нагрузки наблюдается сравнительно небольшое увеличение амплитуды сигналов АЭ. Вместе с тем, рост механической нагрузки приводит к появлению сигналов АЭ с большей длительностью, чем при предыдущей нагрузке (рис.3.6). Таким образом, рост активности коррозионно-механического процесса сопровождается уширением сигналов АЭ. Важно также заметить, что амплитуда сигналов достаточно большая, что позволяет регистрировать их на большом удалении от источников.
Экспериментальное моделирование процесса распространения волн Лэмба по РВС
С целью подтверждения полученных выше теоретических расчетов было проведено экспериментальное моделирование процессов распространения волн Лэмба по модели резервуара [111]. Ввиду больших сложностей, возникающих при моделировании процессов распространения импульсов АЭ на реальном объекте, предложена модель РВС с сохранением соотношения рабочей частоты f и толщины стенки резервуара /?. В таблице 4.2 приведены геометрические параметры используемых РВС и соответствующие им произведения fh. На боковой стенке модели РВС имеется соединение двух листов с нахлестом 1,5 мм, что составляет ASo/4 (четверть длины волны моды So на рабочей частоте f=1 МГц). Отметим, что в реальных конструкциях РВС соединение выполняется чаще всего с нахлестом 30-60 мм, что примерно соответствует четверти длины волны моды So на рабочей частоте г=30 кГц (ASc/4=50 мм).
В качестве приемников сигналов АЭ использовались пьезоэлементы ЦТС-19 малых размеров (2-2-1 мм3) с целью резонансного приема на частоте 1 МГц. Пьезоэлементы приклеивались на стенку резервуара вблизи донной поверхности с помощью смеси воска и канифоли и демпфировались указанной композицией с наружной поверхности с целью уменьшения добротности и получения относительно коротких импульсов. В качестве имитатора источника сигналов АЭ использовались: - пьезоэлемент, имитирующий источник АЭ, возникающий в результате воздействия вертикальной сосредоточенной силы. Отметим, что имитатор типа ЭЛИТ-2 (динамический твердомер с шариком), используемый для калибровки в реальных установках АЭ-контроля, также является источником вертикальной сосредоточенной силы; -миниатюрный электромагнито-акустический (ЭМА) излучатель, использующий электродинамический принцип излучения, и представляющий из себя плоскую катушку с постоянным подмагничиванием. При этом создается поле горизонтальных по отношению к поверхности листа упругих сил, расположенных радиально относительно тока в катушке. Следует отметить, что именно источники такого типа могут моделировать реальные развивающиеся дефекты, растущие с поверхности вглубь материала (например, коррозионные повреждения) [22].
Осциллограмма рис. 4.10 получена, когда имитатор АЭ пьезоэлемент - находится рядом с приемником акустического сигнала. При таком способе возбуждения (сила, нормальная к поверхности) преимущественно возбуждается изгибная мода а0. Волна а0 распространяется вдоль боковой свободной стенки резервуара, при этом ее путь равен длине окружности диаметром D и составляет 314 мм. В соответствии с временной разверткой осциллограммы (Дг=15,5 мкс) экспериментально измеренная скорость изгибной моды составляет 2026 м/с, что близко по значению к групповой скорости, полученной выше теоретически с использованием дисперсионных кривых.
На осциллограмме наблюдается также импульс, совпадающий по времени с модой So, преобразованной из моды а0 на соединении внахлест, находящимся на боковой стенке модели резервуара на расстоянии, равном % длины окружности (см. рис. 4.9).
На осциллограмме рис. 4.11 можно наблюдать, как изменяется картина при заполнении резервуара жидкостью (трансформаторным маслом). Изгибная волна, практически, исчезает, вследствие ее значительного переизлучения в жидкость. Картина формируется вследствие интерференции лучей, идущих по жидкости, и многократно отраженных от ее поверхности и боковых стенок резервуара.
На рис. 4.12 изображена осциллограмма, полученная на свободном резервуаре (в отсутствии жидкости) с использованием ЭМА-имитатора АЭ, расположенного рядом с приемником АЭ. При действии совокупности горизонтальных сил в стенке резервуара возбуждается преимущественно нулевая симметричная мода S0, серию эхо-импульсов которой можно наблюдать на осциллограмме. В соответствии с временной разверткой осциллограммы (Д/=58 мкс) экспериментально измеренная скорость продольной моды составляет 5413 м/с, что также соответствует скорости CSo, полученной выше. На осциллограмме рис. 4.12 можно также наблюдать импульс моды а0 небольшой амплитуды, обусловленный трансформацией на соединении моды So (расстояние для моды S0 - 240 мм и для моды Эо- 75 мм).
При заполнении резервуара жидкостью амплитуда моды So, практически, не уменьшается (затухание вследствие переизлучения стремится к нулю). Следует отметить, что излучение непосредственно в жидкость таким источником чрезвычайно мало (рис. 4.13).Сигналы моды So значительно превосходят сигналы, обусловленные другими причинами.
Картина значительно осложняется, если имитатор АЭ находится на дне резервуара (рис. 4.14), что обусловлено многообразием путей к приемнику (по дну, стенке и через жидкость), а также трансформацией мод на неоднородностях дна. Тем не менее, мода S0 по-прежнему имеет достаточно высокую амплитуду и соответствует первому приходу сигнала АЭ к приемнику.
