РЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук.1
Работа добавлена на сайт samzan.net:
10
Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу
Бондаренко Артем Юрійович
УДК 620.179
МАГНІТНИЙ КОЕРЦИТИМЕТРИЧНИЙ КОНТРОЛЬ ТЕХНІЧНОГО СТАНУ ЗВАРНИХ З’ЄДНАНЬ
Спеціальність 05.11.13 –Прилади і методи контролю
та визначення складу речовин
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Івано-Франківськ - 2007
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України (м. Київ)
Науковий керівник: академік НАН України, доктор технічних наук, професор
Лобанов Леонід Михайлович,
Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України (м. Київ), заступник директора інституту
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Маєвський Станіслав Михайлович,
Національний технічний університет України „КПІ” (м. Київ), кафедра приладів та систем неруйнівного контролю
доктор технічних наук, професор
Білокур Іван Павлович,
Національний авіаційний університет України (м.Київ),
кафедра машинознавства
Провідна установа: АНТК “Антонов” Міністерства промислової політики України (м. Київ)
Захист відбудеться “_2_” _березня_ 2007 р. о 12 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 20.052.03 при Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу за адресою: 76019, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу (76019, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15)
Автореферат розісланий “30” січня 2007 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,
кандидат технічних наук, доцент Дранчук М. М.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. В умовах зростання терміну експлуатації зварних конструкцій проблема надійності пов’язана з довгостроковою міцністю металу і зварних з’єднань. Розрахункова оцінка надійності і міцності конструкцій, що тривало працюють під дією значних навантажень, здійснюється в багатьох випадках без врахування впливу фактору часу на зміну механічних властивостей металу зварних з’єднань. Тому єдиним достовірним джерелом отримання фактичних даних про вплив часу на працездатність матеріалів є результати обстежень реальних конструкцій. У зв’язку з наведеним вище особливе значення набувають дослідження та розробка методу для оцінки технічного стану зварних конструкцій, який би дозволив отримати необхідний комплекс параметрів зварних з’єднань.
Аналіз сучасних методів і технологій неруйнівних випробувань зварних з’єднань показує, що, незважаючи на широке використання цих методів, питання оцінки технічного стану та пошкодженості металу зварних з’єднань в процесі експлуатації з метою визначення індивідуального залишкового ресурсу в ряді випадків залишається невирішеним. Зниження ресурсу зварних конструкцій пов’язане головним чином з накопиченням пошкоджень в зварних з’єднаннях. Для об’єктивної оцінки залишкового ресурсу зварних конструкцій необхідне детальне вивчення стану різних зон зварних з’єднань відносно до реальних умов експлуатації, особливо в місцях концентрації напружень та пластичних деформацій, а також дії циклічних навантажень.
Виявленням макродефектів у зварних з’єднаннях займається дефектоскопія і це питання вважається достатньо опрацьованим на сьогоднішній день, в той час як проблема контролю субструктурного стану зварних з’єднань практично не вирішена.
Необхідно зазначити, що в даний час широке застосування в промисловості при виробництві металопродукції для вимірювання магнітних характеристик та визначення фізико-механічних властивостей металопрокату знаходять магнітні методи. В даній роботі запропоновано розширити галузь застосування магнітних методів і оцінювати величину пластичної деформації та втоми металу зварних з’єднань конструкцій при експлуатації з метою прогнозування їх залишкового ресурсу шляхом визначення величини коерцитивної сили в місцях найбільших напружень.
Усе вказане вище визначає актуальність проблеми, що вирішується в дисертації –розробка магнітного коерцитиметричного методу контролю технічного стану зварних з’єднань на різних стадіях експлуатації конструкцій для прогнозування їх індивідуального залишкового ресурсу.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика досліджень, проведених у ході виконання дисертаційної роботи, відповідає пріоритетним напрямкам і науковим програмам та темам НАН України:
- цільовій науковій програмі НАН України у 2002-2006 р. “Фундаментальні проблеми створення матеріалів з наперед заданими властивостями, методів їх з’єднання і обробки” з теми “Розробка ефективних методів прогнозування та продовження ресурсу зварних конструкцій на основі створення принципово нових підходів до діагностики, підвищення міцності та регулювання напружено-деформованого стану з’єднань”. Номер теми згідно плану ІЕЗ ім. Є. О. Патона НАН України 8/33. Виконується згідно постанови бюро ВФТПМ НАНУ прот. № 3 від 05.02.02.
- відомчому замовленню НАН України у 2000-2002 р. “Розробка і дослідження зварних оболонкових і панельних конструкцій високої точності та крупногабаритних конструкцій перетворюваного об’єму, створення ефективних методів їх діагностики”. Номер теми згідно плану ІЕЗ ім. Є. О. Патона НАН України 8,31/13. Виконується згідно постанови бюро ВФТПМ НАНУ прот. № 7 від 20.04.2000.
- пошуковій науковій темі НАН України у 2003 р. “Дослідження зміни магнітних характеристик металу зварних з’єднань трубних сталей при дії експлуатаційних навантажень для подальшого прогнозування залишкового ресурсу”. Номер теми згідно плану ІЕЗ ім. Є. О. Патона НАН України 8/15-П. Виконується згідно постанови ІЕЗ прот. № 20 від 31.01.03.
- цільовій науково-технічній програмі “Проблема ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд і машин (“Ресурс”)” з теми “Розробка та дослідження нових засобів оцінки та подовження ресурсу зварних з’єднань конструкцій в умовах їх експлуатації на основі розвитку спекл-інтерферометричного та магнітного коєрцитиметричного методів визначення технічного стану та на основі електродинамічної обробки конструкційних матеріалів”. Номер теми згідно плану ІЕЗ ім. Є. О. Патона НАН України 8/39. Виконується згідно Постанови Президії НАНУ прот. № 214 від 04.04.2005.
Вказані роботи виконувались за безпосередньою участю здобувача, в т.ч. як відповідального виконавця.
Мета і задачі дослідження. Мета дослідження –теоретичне обгрунтування та побудова методології магнітного коерцитиметричного методу контролю зварних з’єднань на різних стадіях експлуатації конструкцій для прогнозування індивідуального залишкового ресурсу.
Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно вирішити наступні задачі.
- За результатами аналізу існуючих методів неруйнівного контролю та діагностики зварних конструкцій обгрунтувати вибір магнітного коерцитиметричного методу для оцінки технічного стану та прогнозування залишкового ресурсу зварних з’єднань.
- На основі аналізу фізичних властивостей зварного з’єднання запропонувати та дослідити фізичну модель зварного з’єднання для вивчення впливу геометричних та магнітних параметрів зварного шва (Ш), зони термічного впливу (ЗТВ) та основного металу (ОМ) на величину коерцитивної сили зварного з’єднання.
- На основі результатів аналізу закономірностей процесу магнітного контролю зварного з’єднання побудувати математичну модель залежності коерцитивної сили зварного з’єднання від геометричних та магнітних параметрів Ш, ЗТВ та ОМ для визначення локальних особливостей розподілу коерцитивної сили в зварному з’єднанні.
- На основі аналізу фізичних закономірностей дослідити вплив циклічного та статичного навантаження на інформативний параметр магнітного методу –коерцитивну силу зварного з’єднання; визначити граничні значення коерцитивної сили, що відповідають стану передруйнування.
- Дослідити вплив структурних змін металу зварних з’єднань на його магнітні властивості та визначити причини зміни величини коерцитивної сили.
- Розробити методику оцінки технічного стану та прогнозування залишкового ресурсу зварних з’єднань трубопроводів з використанням магнітного коерцитиметричного методу контролю.
- Дослідити вплив реальних умов експлуатації газопроводу на зміну величини коерцитивної сили в зварних з’єднаннях.
Об’єкт дослідження –технічний стан зварних з’єднань трубних сталей.
Предмет дослідження –метод магнітного неруйнівного контролю зварних з’єднань, що грунтується на інформативному параметрі –коерцитивній силі.
Методи дослідження. Теоретичні дослідження виконано із використанням теорії феромагнетизму, магнітної дефектоскопії, теорії моделювання, чисельних методів обчислювальної математики, методів математичного аналізу, раціонального планування та прикладної статистики. Експериментальні дослідження взаємозв’язків між показниками, що характеризують стан та ресурс зварних з’єднань, і інформативними параметрами методу здійснювались на основі теорії феромагнетизму із використанням емпіричних методів (спостереження, порівняння, вимірювання) та методу електронної мікроскопії.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:
- встановлено взаємозв’язок між геометричними та магнітними параметрами Ш, ЗТВ і ОМ, в результаті чого розроблено математичну модель коерцитивної сили зварного з’єднання, що дає можливість локальної оцінки пошкодженості зварних з’єднань;
- встановлено вплив циклічного і статичного навантажень на величину коерцитивної сили зварного з’єднання та вперше обгрунтовано використання граничних значеннь величини коерцитивної сили в локальних зонах зварного з’єднання, а також анізотропії для оцінки технічного стану конструкцій;
- вперше використано статистичні методи аналізу величин зміни коерцитивних сил Hсзтв та Hсш на різних етапах експлуатації зварних конструкцій, отриманих в процесі моніторингу, що дозволяє оцінити їх технічний стан;
- вперше запропоновано метод оцінки технічного стану зварних з’єднань трубопроводів із застосуванням магнітного коерцитиметричного методу, що полягає в локальній оцінці граничних значень величини коерцитивної сили зварних з’єднань на зразках-свідках та аналізі кінетики зміни отриманих при моніторингу її поточних значень для прогнозування залишкового ресурсу.
Практичне значення отриманих результатів:
- розроблено методику прогнозування залишкового ресурсу зварних з’єднань трубопроводів із застосуванням магнітного коерцитиметричного методу;
- розроблено фізичну модель зварного з’єднання для оцінки впливу геометричних і магнітних параметрів зварного шва, зони термічного впливу й основного металу на величину коерцитивної сили зварного з’єднання;
- розроблено функціональні схеми випробувальних стендів, що дозволяють встановити вплив статичного та циклічного навантажень, а також залишкової пластичної деформації на величину коерцитивної сили в зварному з′єднанні.
Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Зокрема, особисто автором:
- запропоновано та досліджено фізичну модель зварного з’єднання для визначення впливу геометричних та магнітних параметрів Ш, ЗТВ та ОМ на величину коерцитивної сили зварного з’єднання [6, 9];
- побудувано математичну модель залежності коерцитивної сили зварного з’єднання від геометричних та магнітних параметрів Ш, ЗТВ та ОМ для визначення локальних особливостей розподілу коерцитивної сили в зварному з’єднанні [20, 21];
- досліджено вплив циклічного та статичного навантажень на інформативний параметр магнітного методу —коерцитивну силу зварного з’єднання; визначено граничні значення коерцитивної сили [4, 17];
- досліджено вплив субструктурних пошкоджень металу зварних з’єднань на коерцитивну силу та визначено причини зміни магнітних властивостей металу [10];
- розроблено методику оцінки технічного стану та прогнозування залишкового ресурсу зварних з’єднань трубопроводів з використанням коерцитиметричного методу контролю [3, 8];
- досліджено вплив реальних умов експлуатації газопроводу на зміну величини коерцитивної сили зварних з’єднань [8, 22].
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи були оприлюднені на Міжнародній конференції “Зварні конструкції”(Київ, 2000 р.); на 3-й Міжнародній конференції “Діагностика трубопроводів”(Москва, 2000 р.); на 54-й, 55-й, 57-й і 59-й щорічних конференціях Міжнародного інституту зварювання –-а комісія "Контроль та забезпечення якості" (Словенія, 2001 р., Данія, 2002 р., Японія, 2004 р., Канада, 2006 р.); на науково-технічному семінарі “Підвищення експлуатаційної надійності магістральних трубопроводів газотранспортної системи ДК “Укртрансгаз”(Київ, 2002 р.); на 10-й Ювілейній міжнародній конференції “Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики”(Ялта, 2002 р.); на 3-й Науково-технічній конференції “Современные приборы, материалы, технологии для неразрушающего контроля и технической диагностики промышленного оборудования”(Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, 2002 р.), на 4-й та 5-й Національних науково-технічних конференціях “Неруйнівний контроль і технічна діагностика”(Київ, 2003 р., Київ, 2006 р.), на 11-й та 12-й Міжнародних конференціях “Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики”(Ялта, 2003 р., Ялта, 2004 р.), а також доповідались і обговорювались на наукових семінарах ІЕЗ ім. Е. О. Патона НАНУ та кафедри "Методи та прилади контролю якості та сертифікації продукції" ІФНТУНГ.
Публікації. Матеріали дисертаційної роботи повністю висвітлені у 23 друкованих працях автора, серед яких 10 статей, в т.ч. дві одноосібні, у фахових виданнях “Техническая диагностика и неразрушаюший контроль”, “Методи та прилади контролю якості”; 13 доповідей та тез доповідей на міжнародних та національних науково-технічних конференціях і семінарах.
Структура та об’єм роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Текст дисертації викладено на 195 сторінках. Крім того робота проілюстрована 61 рисунком, включає 17 таблиць, список використаних джерел із 174 найменувань та 4 додатків.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі показано актуальність теми дисертації, її зв'язок з державними і галузевими науково-технічними програмами, з планами науково-дослідних робіт; сформульовано мету та визначено задачі дослідження; висвітлено наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, подано відомості про особистий внесок здобувача та про апробацію результатів роботи.
У першому розділі проаналізовано сучасні методи неруйнівного контролю та діагностики зварних конструкцій. Окремо розглянуто магнітні методи, що значно поширились останнім часом.
Одним із найефективніших шляхів попередження відмов зварних конструкцій і визначення їх залишкового ресурсу є вирішення проблеми оцінки технічного стану та прогнозування індивідуального ресурсу зварних з’єднань за результатами спостережень та вимірювань їх фізичних характеристик у процесі експлуатації.
Наріжним каменем у розробці методів і засобів магнітного неруйнівного контролю (магнітного структурного аналізу), породженого на стику фізики магнітних явищ і фізичного металознавства, є сучасна теорія феромагнетизму. Значний вклад в її розвиток було внесено В. К. Аркадьєвим, С. В. Вонсовским, Я. И. Френкелем, Я. Г. Дорфманом, Н. С. Акуловим, Е. И. Кондорським, К. П. Бєловим, Я. З, Янусом та ін. у СРСР, Р. Бозортом (США), Р. Беккером, М. Керстеном, В. Деренгом (Німеччина), Л. Неелем (Франція), С. Тикадзумі (Японія) та ін., що дозволило зрозуміти природу процесів намагнічування і перемагнічування таких гетерогенних феромагнетиків, як сталі. Роботи А. С. Займовського, Б. Г. Лівшиця, В. С. Меськина, С. С. Штейнберга, В. Д. Садовського, Г. В. Курдюмова, Б. А. Апаєва, К. Н. Сироти, А. П. Гуляєва, Р. Кана, Е. Берковича, Е. Кнеллера в галузі фізики магнітних явищ, фізичного металознавства і матеріалознавства зіграли важливу роль у розробці магнітних методів для оцінки структурного стану і міцностних властивостей сталей і сплавів.
Особливе місце в розвитку магнітного структурного аналізу належить трьом школам физиків-магнітологів, а саме: Н. С. Акулова, Р. І. Януса, М. Н. Міхєєва, працями яких закладено основи практичного використання магнітних методів контролю якості термічної і хіміко-термічної обробки виробів, текстурного аналізу сталей.
Важливу роль у створенні і розвитку теорії і практики коерцитиметричного контролю відіграли вчені Фізико-механічного інституту ім. Г. В. Карпенка НАН України З. Т. Назарчук, В. Г. Рибачук, Б. С. Філюшин та співробітники науково-виробничої фірми “Спеціальні Наукові Розробки” Г. Я. Безлюдько, О. І. Йолкіна та інші.
Стан вітчизняної економіки змушує продовжувати терміни експлуатації зварних конструкцій понад ті, що обумовлені експлуатаційною документацією. Тому визначення индивідуального ресурсу являє собою серйозний резерв для економії коштів, матеріалів, енергії і трудових витрат.
У зв'язку з цим необхідна розробка методик і нових технологій із застосуванням магнітних методів, зокрема магнітної коерцитиметрії, для забезпечення і впровадження моніторингу фактичного технічного стану особливо відповідальних зварних конструкцій –нафтогазопроводів –протягом усього періоду їхньої експлуатації і прогнозування за його результатами залишкового ресурсу.
У другому розділі на основі аналізу магнітного коерцитиметричного методу діагностики та характеристик розглянутих коерцитиметрів для проведення досліджень з необхідною точністю і локальністю контролю обґрунтовано вибір цифрового напівавтоматичного структуроскопа.
(1)
Запропоновано розгляд зварного з'єднання з точки зору фізики магнітних явищ як ряд зон з різною магнітною жорсткістю (коерцитивною силою Нс), розташованих перпендикулярно напрямку діючого магнітного поля (рис. 1). Виходячи з цього, дано аналітичний вираз коерцитивної сили зварного з'єднання:
де ш - розмір зони зварного шва; зтв–розмір ЗТВ; ом–розмір зони ОМ у магнітному ланцюгу пристрою; Нсш, Нсзтв, Нсом –величина коерцитивної сили відповідно зварного шва, ЗТВ та ОМ.
Розроблений спосіб досліджень і оцінки локальних особливостей розподілу значень коерцитивної сили в зварних з'єднаннях дозволяє оцінити величину коерцитивної сили зварного шва і ЗТВ (рис. 2). Це надає нові можливості для оцінки залишкового ресурсу зварних конструкцій у процесі їх експлуатації.
Рис. 1. Схема зварного з’єднання з зонами різної магнітної жорсткості: 1 –магнітна система; 2 –магнітні силові лінії; д –розмір бази виміру
Запропоновано схему поперечного сканування ЗТВ зварного з'єднання за допомогою пристрою магнітного контролю і вираз для визначення величин коерцитивних сил Нсш і Нсзтв у перетині зварного з'єднання і розміру lзтв.
(2)
При цьому величина Нсзтв визначається таким чином:
2. колво тепловой энергии необходимой для изменения температуры газа на 10С
3. Басманов Алексей Данилович
4. Объекты базы данных ccess К объектам базы данных ccess относятся- 1
5. Рубіж 1919 1920 pp
6. Болезни ободочной кишки 2
7. Определение оптимальных размеров датчика СВЧ поверхностных волн на основе меандровой линии замедления
8. Exminer for Deck Officers s follows- SECTION - MRITIME TRETY INSTRUMENTS SECTION B- THE FLG STTE SECTION C- THE SHIPOWNER OPERTOR ND MNGER SECTION D- THE SHIP SECT
9. Дипломная работа- Тревожность осужденных подросткового возраста
10. Бухгалтерская отчетность
11. Виды экстремального туризма
12. Экономические отношения в агропромышленном комплексе
13. Великобритания и Ирландия и примыкающих к ним многочисленных мелких островах
14. Тема- фотохімічні основи фотореєстраційних процесів Мета- навчитися визначати основні сенситометричні х
15. Лабораторная работа 4 ldquo; Приборы для измерения температуры работающие в комплексе с термометром сопрот
16. освободительная борьба сирийского и ливанского народов в 19191927 гг
17. а ДОПУСК К ЭКЗАМЕНУ включает- фотоотчет о работе в одном из пригородных дворцовопарковых комплексов;
18. инсоляции Норма инсоляции для жилых квартир
19. Курсовой по механике
20. Поэтизация природы как психологический феномен