В настоящее время расчеты на прочность конструктивных элементов и оценка работоспособности длительно эксплуатируемого технологического оборудования, продление жизненного цикла оборудования с назначенным сроком безопасной эксплуатации осуществляется по методикам, не учитывающим реальные изменения в структуре и изменения механических свойств конструкционных материалов в процессе эксплуатации, что снижает достоверность результатов, создает предпосылки для возникновения аварийных ситуаций, сопровождающихся значительным экономическим и экологическим ущербом.
Для оценки реальных изменений в конструкционных материалов, определения фактического технического состояния и ресурса безопасной эксплуатации конструктивных элементов технологического оборудования предлагается использовать электромагнитно-акустический (ЭМА) преобразователь, принцип действия которого основан на бесконтактном генерировании в металле ультразвуковых колебаний с помощью вихревых токов, возбуждаемых специальной обмоткой, и источника постоянного магнитного поля. Электромагнитно-акустический метод позволяет выявлять зоны аномальных концентраций механических напряжений в элементах крупногабаритных оболочковых конструкций, в этих зонах зарождаются дефекты структуры металла и в дальнейшем развиваются макродефекты, ведущие к разрушению оборудования [2].
Анализ исследований в области разработки методов и средств количественной оценки степени напряженно-деформированного состояния и поврежденности металлических конструкций позволил выявить работы, в которых опубликованы наиболее значительные достижения.
В работе О.В. Андреевой и Д.В. Дмитриева «Использование активных моделей внешнего вида при исследовании степени поврежденности микроструктуры поверхности металлов и сплавов» получены зависимости длительности прохождения ультразвуковой волны и интенсивности затухания колебательного переходного процесса от статических растягивающих нагрузок [1].
В изобретении «Способ неразрушающего контроля степени поврежденности металлов эксплуатируемых элементов теплоэнергетического оборудования» А.Н. Смирнова и др. предлагается критерий оценки степени поврежденности металла элементов энергооборудования. Для этого замеряется задержка поверхностной волны ультразвуковых колебаний на поверхности металла нового элемента, задержка поверхностной волны в зоне аварийного разрушения металла элемента и задержка поверхностной волны на поверхности металла в контролируемой зоне элемента, находящегося в процессе эксплуатации. Затем определяется критерий Кn степени поврежденности поверхности металла [7].
В работе Т.Р. Бикбулатова «Оценка остаточного ресурса оборудования и предельного состояния конструкционных материалов при усталостном нагружении по результатам электромагнитных измерений» установлена зависимость изменения электромагнитных свойств стали 09Г2С от степени накопления усталостных повреждений в упруго-пластической области деформирования, которая показывает, что среднее и действующее значения напряжения отклика электромагнитного сигнала имеют общую тенденцию снижения, а при достижении Ni/Np = 0,8 (Ni/Np – отношение количества циклов нагружения на момент измерения к количеству циклов до разрушения) наблюдается экстремум, соответствующий предельному состоянию материала [4].
Сотрудники ГУП «Московский научно-исследовательский и проектный институт типологии, экспериментального проектирования» разработали методику динамического зондирования и ранней диагностики деформационного состояния несущих конструкций, основанную на анализе изменения передаточных функций, разработанных для различных по высоте участков здания. Под передаточной функцией части здания понимается отношение компонентов спектров мощности, зарегистрированных сигналов в двух точках здания, а именно: в месте динамического воздействия, заданного, например, в виде широкополосного импульса от неупругого удара, и в месте регистрации отклика этого воздействия, прошедшего через рассматриваемую часть здания. Такая передаточная функция характеризует напряженно-деформированное состояние конструкций именно в той части здания, через которую прошел заданный широкополосный импульс [5].
В работе Н.А. Щипакова «Разработка методики и аппаратуры акустической тензометрии трубопроводов» экспериментально подтверждена возможность определения напряжения при двуосном напряженно-деформированном состоянии при помощи головных волн, разработан комплексный ЭМА преобразователь для определения интегральных по толщине металла значений механических напряжений [8].
В настоящее время не разработаны детальная процедура использования ЭМА метода для оценки степени напряженно-деформированного состояния и поврежденности металлических крупногабаритных оболочковых конструкций и способы обработки полученной диагностической информации. Существуют руководства, предназначенные в первую очередь для учебных целей, обзоры общих принципов реализации данного метода. ЭМА метод является перспективным для практического применения, так как является бесконтактным, предоставляет возможность применения к динамическим объектам, к объектам с шероховатой поверхностью, покрытым слоем изоляции, краски.
Экспериментальная часть
Для исследования электромагнитно-акустического метода на кафедре «Электрооборудование и автоматика промышленных предприятий» филиала ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» разработана экспериментальная установка. Схема экспериментальной установки изображена на рис. 1. На схеме изображена универсальная испытательная машина УММ-5 с электромеханическим приводом, предназначенная для статических испытаний на растяжение, сжатие, изгиб и срез. В качестве объектов исследования выбраны образцы для испытания на растяжение, выполненные из сталей марок Ст 10, Ст 20, 09Г2С. Генераторная обмотка ЭМА преобразователя подключена к выходам генераторного модуля прибора АКТАКОМ, измерительная обмотка ЭМА преобразователя подключена параллельно к входам модуля «осциллограф» прибора АКТАКОМ и персонального компьютера со специальным программным обеспечением. С помощью испытательной машины УММ-5 в образцах различных марок сталей создавались механические напряжения, генераторной обмоткой ЭМА преобразователя в образцах возбуждались упругие колебания ультразвуковых частот. Информация о состоянии металла, содержащаяся в параметрах ультразвуковой волны, преобразуется в параметры вихревых токов и считывается измерительной обмоткой преобразователя. Текущее состояние системы «объект контроля – электромагнитно-акустический преобразователь» описывается дифференциальным уравнением. Входным воздействием являются импульсы вихревых токов, которые в сочетании с постоянным магнитным полем генерируют ультразвуковые волны в контролируемом изделии. Выходной величиной системы является сигнал измерительной обмотки ЭМА преобразователя. Для анализа динамических характеристик системы «объект контроля – электромагнитно-акустический преобразователь» используется её передаточная функция. Идентификация состояния металла объекта контроля осуществляется на основе анализа координат расположения корней характеристического уравнения (полинома знаменателя передаточной функции системы «объект контроля – электромагнитно-акустический преобразователь») на комплексной плоскости.
Внешний вид разработанного ЭМА преобразователя представлен на рис. 2. ЭМА преобразователь состоит из индуктора, расположенного с возможностью направления на объект контроля. Выше индуктора располагается постоянный неодимовый магнит с остаточной магнитной индукцией Br, равной 1,45 Тл. Индуктор выполнен в форме «бабочки» из 20 витков на основании из стеклотекстолита, расстояние от центра витка до поверхности металла 3 мм. Такое расположение индуктора и постоянного магнита позволяет возбуждать в объекте контроля поперечную ультразвуковую волну. Корпус ЭМА преобразователя выполнен с использованием 3D принтера. На генераторную обмотку преобразователя поступают прямоугольные импульсы тока, которые наводят вихревые токи в объекте контроля. Под действием сил Лоренца в объекте контроля возбуждаются ультразвуковые колебания, параметры которых изменяются при взаимодействии со структурой металла и приводят к изменению параметров вихревых токов. Изменение параметров вихревых токов воспринимается измерительной обмоткой.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
Рис. 2. Разработанный ЭМА преобразователь
Выводы
По кривым переходного процесса в системе «объект контроля – электромагнитно-акустический преобразователь», полученным при подаче на вход импульсов тока, были определены передаточные функции. Передаточная функция является интегральным параметром, позволяющим оценивать состояния объекта контроля. Анализ параметров передаточной функции и определение корней характеристического уравнения передаточной функции производились с использованием программы ТАУ-2 [6].
Результаты исследований позволили выявить области на комплексной плоскости расположения корней характеристического уравнения системы «объект контроля – электромагнитно-акустический преобразователь», которые характеризуют упругую деформацию металла. Выход координат корней характеристического уравнения за пределы этих областей соответствует переходу металла из области упругой деформации в области упруго-пластической и пластической деформации и рассматривается как потеря устойчивости системы [3].
При изменении параметров переходного процесса меняются координаты расположения корней характеристического уравнения передаточной функции на комплексной плоскости, отражающие напряженно-деформированное состояние и уровень поврежденности металла.
Рецензенты:
Вильданов Р.Г., д.т.н., профессор кафедры «Электрооборудование и автоматика промышленных предприятий», филиал, ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Салават;
Жирнов Б.С., д.т.н., профессор, филиал, ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Салават.