ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
д.т.н. Ефимов Алексей Геннадьевич
Основная задача магнитной структуроскопии (магнитный метод коэрцитивной силы, основанный на регистрации коэрцитивной силы объекта) - это установление закономерных связей между магнитными свойствами металлов и сплавов, их структурно-фазовым состоянием и механическими свойствами. На основании этих закономерностей разрабатываются методы и средства неразрушающего контроля промышленных изделий. Особое место в развитии магнитного структурного анализа принадлежит двум школам физиков-магнитологов Н.С.Акулова, М.Н. Михеева и Р.Я. Януса, трудами которых заложены основы практического использования магнитных методов контроля качества термической и химико-термической обработки изделий, текстурного анализа сталей. Систематическое изучение магнитных, электрических и механических свойств сталей различного назначения позволяет ответить на многие вопросы о возможности оценки структуры, фазового состава и прочностных характеристик поверхностно и объемно упрочненных изделий из этих сталей.
Начатые еще в 30-х годах XX века и проводимые по настоящий момент исследования позволяют определить основные области применения метода магнитной структуроскопии:
· определение структурного состояния и механических свойств холодно- и горячекатаных сталей;
· контроль структурного состояния и прочностных характеристик объемно-термообработанных стальных и чугунных изделий (отжиг, нормализация, закалка, отпуск и старение);
· оценка напряженного состояния и его изменений в материалах и конструкциях после термической обработки и пластического деформирования, а также в процессе эксплуатации;
· выявление кристаллографической текстуры, анизотропии механических свойств при пластическом деформировании листового проката
· контроль структуры, физико-механических свойств и толщины упрочненного слоя после обработки изделий различными методами(закалка ТВЧ, химико-термическая обработка, упрочнение концентрированными потоками энергии, виброупрочнение, обезуглероживание в стали и отбел в чугуне).
· сортировка изделий по маркам, качественная оценка содержания основных легирующих элементов;
· определение кристаллографической структуры.
В настоящее время в РФ не существует объективной методики контроля напряженно-деформированного состояния мостовых сооружений. В то же время существует объективная необходимость оценки реального остаточного ресурса мостов со сроками эксплуатации более 50 лет.
Для решения схожих задач в других отраслях промышленности, в частности в крановом и лифтовом хозяйстве, при эксплуатации сосудов работающих под давлением успешно применяются магнитные структуроскопы и коэрцитиметры. Работы в данном направлении в СССР, а затем и в РФ ведутся с 1939 года. Разработан ряд нормативных документов [5-7], в том числе российские и международные стандарты [1-4].
На рисунке 1 представлен магнитный структуроскоп (коэрцитиметр) с преобразователями для контроля различных видов металлоконструкций.
Рис.1. Магнитный структуроскоп МС-10.
В основе метода коэрцитивной силы (Hc), лежит взаимосвязь между магнитными свойствами металлов и сплавов, их структурно-фазовым состоянием и механическими свойствами. Для ряда конструкционных сталей, например таких как Ст.3, данная взаимосвязь является однозначной и подлежит численной оценке. На рис.2 приведена зависимость коэрцитивной силы от величины действующего напряжения при одноосном растяжении плоских образцов, полученная для различных марок сталей.
Рис. 2. Номограммы для контроля по коэрцитивной силе напряжений
в конструкциях из различных марок сталей.
Характерные зависимости коэрцитивной силы НС от числа циклов нагружения N для листов из стали Вст3сп5 (толщиной 6 мм) показаны на рис. 3.
Испытание проводили при отнулевом цикле нагружения с частотой 1Гц. Амплитуда нагружения варьировалась в широком диапазоне от 20 до 350 МПа, что позволяло моделировать режимы от легкого до весьма тяжелого нагружения.
Нс0= 2,3А/см до критической Нскрит=5,6±0,2 А/см при разрушении.
С ростом амплитуды нагружения выше предела текучести σ0,2 накопление повреждений и микропластических деформаций начиналось с первых циклов нагружения и выходило на насыщение, соответствующее Нскрит =5,8±0,2 А/см за 5х104 циклов.
При статическом растяжении такого образца критическое значение коэрцитивной силы при разрушении составляло Нскрит =5,9±0,2 А/см.
Учитывая, что критические значения коэрцитивной силы НС при статическом и циклическом нагружении достаточно близки по абсолютной величине, остаточный ресурс элементов металлоконструкций кранов можно вести одновременно с контролем напряженно-деформированного состояния этих металлоконструкций.
Рис. 3. Контроль разрушения методом коэрцитивной при малоцикловой усталости листов из ВСт3сп5
В РФ эксплуатируется около 300 тыс. грузоподъемных механизмов (85% с истекшим расчетным сроком эксплуатации), наблюдение которых методом коэрцитивной силы идут уже почти 20 лет. В год проверяются тысячи объектов, по результатам обследования изменяется режим их эксплуатации. Тем не менее, более чем у половины обследованных объектов ресурс продлевается без ограничений по грузоподъемности и условиям эксплуатации.
Для кранового хозяйства были проведены теоретические и экспериментальные исследования, результатом которых являются разработанные под контролем Госгортехнадзора РФ и при участии ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр» методические указания «Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса подъемных сооружений при проведении их обследования и технического диагностирования (экспертизе промышленной безопасности)» (РД ИКЦ «КРАН»-007-97-02) [5] и «Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса кислородных баллонов – сосудов, работающих под давлением до 20,0 МПа, при проведении экспертизы промышленной безопасности» (РД ИКЦ "КРАН" 009-99) [7].
На рис.4 приведена номограмма, позволяющая выбрать режим дальнейшей эксплуатации подъемного сооружения на основании результатов измерения коэрцитивной силы, где кривая Q1 соответствует легкому режиму работы, кривая Q3 – тяжелому режиму по классификации ISO 4301.
Рис.4. Номограмма для контроля методом коэрцитивной силы остаточного ресурса металлоконструкций подъемных сооружений по ISO 4301
Накопленная статистика позволяет говорить о высокой достоверности данных, полученных методом коэрцитивной силы, которая, подтверждается, в том числе и авариями в тех случаях, когда полученные данные не были приняты к рассмотрению эксплуатирующими организациями.
На рис.5 представлены данные измерений, полученные для двух однотипных кранов, эксплуатировавшихся в различных режимах. Главные балки изготовлены из стали ВСт3сп5
(Нс0 » 2,0 А/см ; НсТ = 5,8 А/см; НсВ = 6,8 А/см), где:
Нс0(А/см) – значение коэрцитивной силы металла в состоянии поставки.
НсТ(А/см) – значение коэрцитивной силы металла, соответствующее его пределу текучести.
НсВ(А/см) – значение коэрцитивной силы металла, соответствующее его пределу прочности.
Контроль методом коэрцитивной силы позволил установить, что после работы крана в течение 20 лет в тяжелом режиме в буксовых зонах концевых балок напряжения в металле достигли предела текучести и началась местная пластическая деформация.
Такая пластическая деформация может наблюдаться и в вертикальной стенке главной балки посередине пролета или в местах крепления кронштейнов, поддерживающих подмоторную площадку (у кранов с центральным приводом).
Рис. 5. Магнитный контроль концевых и главных балок двух однотипных мостовых кранов г/п – 10т, пролёт – 19м, отработавших 20 лет в лёгком (Q1) и тяжёлом (Q3) режимах по классификации ИСО 4301.
В отличие от кранового хозяйства, с его значительной унификацией, однотипностью условий эксплуатации и действующих нагрузок, мосты представляют собой уникальные сооружения, зачастую существующие в единичном экземпляре. Для оценки остаточного ресурса металлических пролетных строений требуется проведение практических и теоретических исследований, а также обработка массива статистических данных объема грузоперевозок за период эксплуатации. Результатом совместной работы эксплуатирующих организации, профильных НИИ и разработчиков средств неразрушающего контроля должен стать документ, регламентирующий проведение контроля напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса мостов и других инженерных сооружений инфраструктуры ОАО «РЖД».
Рис.6. Авария крана в порту г. Пуссан, Республика Корея.
Библиографические ссылки.
1. ГОСТ 24916-81 «Сплавы твердые спеченные. Метод определения коэрцитивной силы
2. ГОСТ 30415-96 «Сталь. Неразрушающий контроль механических свойств и микроструктуры металлопродукции магнитным методом».
3. ГОСТ 12119.1-98 «Сталь электротехническая. Методы определения магнитных и электрических свойств. Методы измерения магнитной индукции и коэрцитивной силы.»
4. ГОСТ Р 52330-2005 «Контроль неразрушающий. Контроль напряженно-деформированного состояния объектов промышленного транспорта»
5. РД ИКЦ "КРАН"- 007-97-02 «Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса подъемных сооружений при проведении их обследования и техническом диагностировании (экспертизе промышленной безопасности)». Аналогом является МВ 0.00-7.01-05 (Украина).
6. СТО Газпром РД 1.10-097-2004 «Инструкция по восстановлению исполнительно-технической документации технологических трубопроводов газораспределительных станций (ГРС) ОАО "Газпром».
7. РД ИКЦ "КРАН" 009-99 «Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса кислородных баллонов – сосудов, работающих под давлением до 20,0 МПа, при проведении экспертизы промышленной безопасности».