Способ определения механических напряжений в стальных конструкциях

Авторы патента:

G01L1/06 - путем измерения остаточной деформации измерительных элементов, например сжатых тел

Владельцы патента RU 2389988:

Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий - Газпром ВНИИГАЗ" (ООО "ГазпромВНИИГАЗ") (RU)

Изобретение относится к области оценки технического состояния конструкций и может быть использовано для определения механических напряжений, например, в стальных трубопроводах надземной прокладки. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения механических напряжений в упругой области нагружения конструкции. Способ определения механических напряжений стальных конструкций заключается в том, что изготавливают образец из материала, аналогичного материалу конструкции, пошагово нагружают образец в упругой области, многократно измеряют его микротвердость на каждом шаге нагружения, рассчитывают дисперсию измеренных значений микротвердости, строят зависимость дисперсии микротвердости от величины напряжений в образце, затем многократно измеряют микротвердость конструкции, рассчитывают дисперсию значений микротвердости конструкции и определяют величину напряжений в конструкции с помощью упомянутой зависимости.

Известен способ измерения механических напряжений в трубопроводах, работающих под давлением, в котором на контрольном образце трубопровода с нулевыми значениями продольных напряжений, в качестве которого выбирают прямолинейный подземный участок трубопровода, измеряют значения параметра магнитного шума, определяют пересчетный коэффициент пропорциональности, регистрируют значение параметра магнитного шума металла трубопровода в месте контроля и по их значениям судят о напряжениях в трубопроводе (см. патент РФ №2116635, МПК G01L 1/12, G01N 27/83, опубл. 27.07.1998).

Недостатком способа является необходимость выбора участка трубопровода с нулевыми продольными напряжениями, что достоверно сделать сложно, т.к. прямолинейность участка не гарантирует нулевые продольные напряжения в металле трубопровода. Указанный недостаток снижает точность измерения напряжений.

Известен способ определения механических напряжений в материале акустической тензометрией, заключающихся в регистрации изменения скорости распространения упругих волн под влиянием напряжения (см. Химченко Н.В. Акустические методы контроля остаточных напряжений в сварных конструкциях. // Контроль. Диагностика. - 2001. - №4. - С.7-12).

Недостатком способа является необходимость измерения скорости волн с погрешностью, не превышающей 0,01%, и обеспечения надежного акустического контакта между излучателем упругих волн и материалом конструкции.

Известен способ определения напряженного состояния стальных конструкции (см. патент РФ №2281468, МПК G01L 1/12, G01N 27/83, опубл. 10.08.2006).

В известном решении растягивают образцы материала различной степени деформационного старения, в процессе растяжения измеряют анизотропию коэрцитивной силы. Получают зависимости анизотропии коэрцитивной силы от приложенного напряжения с учетом состояния материала. Затем проводят измерения коэрцитивной силы металла конструкции и определяют напряженное состояние с помощью полученных зависимостей.

Недостатками способа являются:

- малая чувствительность способа к напряжениям растяжения, что не позволяет точно определять эквивалентные напряжения в металле конструкций, работающих на растяжение, например сосуды и трубопроводы, находящиеся под действием внутреннего давления;

- способ не позволяет определить напряжения на поверхности металла, а именно с поверхности металла в большинстве случаев происходит развитие очагов разрушения конструкции, например трещин коррозионного растрескивания. Измерение коэрцитивной силы, а значит и определение напряжений происходят по толщине тестируемого металла, однако напряжения на внутренней и наружной поверхностях конструкций, особенно при сложном нагружении конструкции, могут значительно отличаться.

Известен способ определения механических напряжений, заключающийся в определении твердости материала конструкции, по которому судят о величине механических напряжений (см. Дель Г.Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости. - М.: Машиностроение, 1971. - 200 с.).

Недостатком способа является низкая чувствительность в упругой области нагружения металла, в которой работает большинство конструкций, в т.ч. трубопроводы.

Известен способ определения предела текучести материла, взятый нами в качестве прототипа, заключающийся в изготовлении образца из материала, аналогичного материалу конструкции, подготовке гладкой поверхности образца, пошаговом нагружении образца, многократном измерении микротвердости на каждом шаге нагружения и определении предела текучести образца по скачкообразному увеличению дисперсии микротвердости (см. патент РФ №2339017, МПК G01N 3/00, опубл. 20.11.2008).

Недостатком способа является невозможность определения значения механических напряжений в металле в упругой области нагружения материала. Известный способ для точного определения предела текучести реализуют с малым шагом испытания (не более 5-10 МПа), при этом для сокращения времени испытания начальное напряжение испытания выбирают около 80% от нормативного условного предела текучести материала.

Технической задачей изобретения является определение механических напряжений в упругой области нагружения.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения механических напряжений стальных конструкций, включающем изготовление образца из материала, аналогичного материалу конструкции, пошаговое нагружение образца, многократное измерение его микротвердости на каждом шаге нагружения, расчет дисперсии измеренных значений микротвердости, построение зависимости дисперсии микротвердости от величины напряжений в образце, согласно изобретению нагружение образца выполняют в упругой области, многократно измеряют микротвердость конструкции, рассчитывают дисперсию значений микротвердости конструкции и определяют величину напряжений в конструкции с помощью упомянутой зависимости.

Способ реализуется следующим образом.

Из фрагмента металла, аналогичного металлу конструкции, вырезают образец. Шлифованием подготавливают одну из боковых поверхностей образца до гладкого состояния. Зажимают образец в захватах разрывной машины. Ступенчато нагружают образец до достижения металлом предела текучести. На каждом шаге нагружения измеряют микротвердость поверхности не менее 50 раз, произвольно перемещая датчик микротвердомера по поверхности образца. Рассчитывают дисперсию результатов измерения на каждом шаге нагружения. Строят зависимость дисперсии значений микротвердости от напряжений в металле.

Шлифованием подготавливают поверхность металла конструкции для измерений микротвердости. Измеряют микротвердость поверхности не менее 50 раз, произвольно перемещая датчик микротвердомера по поверхности конструкции. Рассчитывают дисперсию значений микротвердости и определяют величину напряжений в конструкции с помощью полученной зависимости.

Пример

Необходимо определить напряженное состояние трубопроводов надземной технологической обвязки компрессорной станции. Трубопровод выполнен из труб марки стали 17Г1С. Неразрушающим методом определяют структурное состояние металла трубопровода, например, с помощью коэрцитиметра. Устанавливают, что коэрцитивная сила металла труб находится в диапазоне 4,5-5,0 А/см.

Из различных отрезков труб марки стали 17Г1С выбирают отрезок, соответствующий по структурному состоянию металлу труб диагностируемого трубопровода (с коэрцитивной силой 4,5-5,0 А/см).

Из выбранного отрезка трубы изготавливают образец длиной 200 мм, шириной 30 мм, толщиной 10 мм. Среднюю часть образца на длине около 100 мм шлифуют мелкозернистой наждачной бумагой до шероховатости поверхности не более Rz=10.

Зажимают образец в захватах разрывной машины МР-100, ступенчато с шагом 30 МПа нагружают до величины 330 МПа. На каждом шаге нагружения измеряют микротвердость шлифованной поверхности в количестве 100 раз. Считают дисперсию результатов измерения на каждом шаге нагружения. Строят зависимость дисперсии значений микротвердости от напряжений в металле.

Локализуют места на трубопроводе, в которых возможны высокие продольные растягивающие напряжения, например, определением профиля трубопровода нивелированием. Преимущественно такие зоны расположены в верхней части трубопровода над опорой или в нижней части между опорами.

В месте, выбранном для определения напряжений, удаляют фрагмент виброшумоизоляционного покрытия размером 150×150 мм. Шлифуют поверхность металла трубопровода до шероховатости поверхности не более Rz=10. Измеряют микротвердость поверхности не менее 50 раз, произвольно перемещая датчик микротвердомера по шлифованной поверхности металла трубы. Рассчитывают дисперсию значений микротвердости и определяют величину напряжений в трубопроводе с помощью полученной на образце зависимости.

Способ определения механических напряжений стальных конструкций, включающий изготовление образца из материала, аналогичного материалу конструкции, пошаговое нагружение образца, многократное измерение его микротвердости на каждом шаге нагружения, расчет дисперсии измеренных значений микротвердости, построение зависимости дисперсии микротвердости от величины напряжений в образце, отличающийся тем, что нагружение образца выполняют в упругой области, многократно измеряют микротвердость конструкции, рассчитывают дисперсию значений микротвердости конструкции и определяют величину напряжений в конструкции с помощью упомянутой зависимости.

Изобретение относится к контролю общих остаточных деформаций транспортных и/или стояночных средств, в частности корпусов судов. .

Способ и устройство для определения остаточных поверхностных напряжений // 2282164

Изобретение относится к области точного машиностроения и может быть использовано в авиационном двигателестроении для выбора режимов механической обработки и оценки состояния поверхностного слоя материала через остаточные напряжения в резьбовых соединениях, дорожках качения подшипников, в контактных поверхностях зуба шестерен, а также в лопатках турбины и компрессора.

Измеритель усилия пресса // 2219505

Изобретение относится к области кузнечно-штампового оборудования, а именно к устройствам для измерения усилий прессов. .

Способ определения остаточных напряжений // 2121666

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения остаточных напряжений в поверхностном слое изделий и образцов, подвергшихся обработке различного вида.

Способ измерения контактных напряжений между поверхностями // 1763908

Изобретение относится к измерительной технике. .

Динамометр для определения контактных давлений // 1719933

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения усилий при редуцировании. .

Датчик импульсного давления // 1668878

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области измерения максимального значения компоненты тензора напряжений в исследуемой среде. .

Способ измерения усилий // 1624281

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и мсхет быть ис- , lOfli JOBcHo для измерения статических и ,iV . .

Способ определения веса грузоподъемных колесных объектов // 1564495

Изобретение относится к весоизмерительной технике. .

Способ определения нормальной компоненты напряженного состояния в различных средах // 1538064

Изобретение относится к измерению напряжений путем оценки величины остаточных явлений при разрушении чувствительного элемента от импульсных воздействий и позволяет измерять нормальную компоненту напряженного состояния в различных средах (твердых, жидких, газообразных) независимо от амплитудно-временных характеристик действующих воздействий.

Устройство для определения остаточных напряжений в деталях с электропроводными покрытиями // 2412428

Изобретение относится к машиностроению, а именно к измерительной технике, и может быть использовано при определении физико-механического состояния материала образцов как с электропроводными покрытиями, так и без электропроводных покрытий

Способ определения остаточных напряжений // 2455622

Изобретение относится к области строительной механики и может быть использовано при проектировании несущих арочных покрытий из тонколистовых холодногнутых профилей

Способ определения механических напряжений в сварном изделии // 2508527

Изобретение относится к сварке, в частности к способам определения деформаций и напряжений при сварке металлических конструкций и их последующей эксплуатации преимущественно из углеродистых и низколегированных сталей, и может быть использовано при изготовлении и техническом обследовании сварных конструкций в любых отраслях промышленности. Сущность: в качестве контролируемой зоны выбирают участок изделия, находящегося под нагрузкой, нагревают участок, создавая в нем пластическую деформацию. Измерение размера контролируемой зоны производят датчиками перемещения до и после нагрева, и по изменению ее размера судят о напряженном состоянии металла до начала нагрева. Диаметр зоны нагрева выбирают из условия A=(1,3-5,0)d, где d - диаметр зоны нагрева, А - диаметр базы измерения контролируемой зоны. Технический результат: повышение достоверности оценки прочности и ресурса сварных конструкций путем экспериментального определения их напряженного состояния. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Устройство для определения механических напряжений на поверхности металлической конструкции путем введения фиксированного количества теплоты // 2523073

Изобретение относится к средствам определения механических напряжений, в том числе при изготовлении и последующей эксплуатации металлических конструкций преимущественно из углеродистых и низколегированных сталей, и может быть использовано при изготовлении и техническом обследовании конструкций в любых отраслях промышленности. Устройство содержит средство для проявления механических напряжений посредством контактного энергетического воздействия в зоне небольшого участка в пределах исследуемой поверхности конструкции и соответствующих деформационных перемещений от воздействия, систему измерений указанных деформационных перемещений по границам участка с их оперативной регистрацией и пересчетом в механические напряжения, и средства жесткого крепления устройства на исследуемой поверхности. Средство для проявления механических напряжений выполнены в виде источника тепловой энергии с возможностью временного контакта его рабочего органа с указанным участком поверхности для передачи туда фиксированного количества теплоты, требуемого для пластической деформации указанного участка под действием определяемых механических напряжений и в результате временного нагрева участка до температуры существенного снижения предела текучести материала и наступления пластической деформации участка, но не до его плавления, и последующего остывания участка. Система измерений деформационных перемещений точек на поверхности упругодеформируемой пограничной зоны вокруг указанного пластически деформированного участка выполнена в виде диаметрально расположенных от центра устройства пар в разных угловых направлениях датчиков микромеханических перемещений, концы которых жестко закреплены в указанной пограничной зоне. Технический результат: возможность получить все компоненты напряжений, возникших в процессе изготовления, в период эксплуатации, а также суммарный уровень технологических и эксплуатационных напряжений без повреждения поверхности исследуемой металлической конструкции. 2 з.п. ф-лы. 1 табл., 3 ил.

Способ определения поверхностных остаточных напряжений // 2572670

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения остаточных напряжений в восстановленных деталях методом электронной спекл-интерферометрии. Способ определения поверхностных остаточных напряжений осуществляют путем регистрации рассеянного исследуемой поверхностью детали светового поля, соответствующего начальному состоянию поверхности детали, с помощью оптической измерительной системы, источником излучения которой является лазер. При этом вдавливают в испытуемый материал детали конический индентор до образования отпечатка, регистрируют рассеянное исследуемой поверхностью детали световое поле, соответствующего ее состоянию после воздействия индентора; получают интерферограммы путем вычитания двух записанных световых полей, которая является распределением нормальных перемещений в наплыве вокруг отпечатка; регистрации диаметра отпечатка. Далее вычисляют координаты контрольных точек на осях симметрии отпечатка; определяют порядковые номера проходящих через контрольные точки интерференционных полос и определяют максимальные вертикальные перемещения в наплыве вокруг отпечатка в контрольных точках по формуле: где Ν - номер полосы, λ - длина волны лазера; и определяют остаточные напряжения с помощью всех полученных данных по формуле: где оси x и y направлены вдоль осей симметрии зарегистрированного распределения перемещений; σт - предел текучести материала поверхностного слоя детали; ΔW - разность между измеренной при диагностировании остаточных напряжений величиной нормального перемещения Wσ в контрольной точке и базовым перемещением Wrm. Технический результат - снижение воздействия на исследуемую поверхность детали и уменьшение усилия вдавливания. 2 ил.

Способ определения остаточных напряжений в поверхностных слоях детали // 2574225

Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для определения остаточных технологических напряжений в поверхностных слоях детали, полученных при механической обработке. Сущность: осуществляют вырезку образца в форме стержня прямоугольного сечения. С образца снимают тонкие слои материала, начиная со слоя минимальной толщины 8-12 мкм и увеличивая толщины последующих слоев до значения не более 35 мкм последнего слоя. Определяют толщину каждого снятого тонкого слоя и приращение прогиба образца, вызванное каждым снятым тонким слоем, затем рассчитывают остаточные напряжения в тонких слоях материала по формуле. Технический результат: упрощение способа, снижение трудоемкости и повышение точности определения остаточных напряжений в поверхностных слоях детали. 1 таб., 4 ил.

Способ определения остаточных напряжений в композиционных материалах // 2574231

Изобретение относится к области экспериментальной механики и предназначено для определения остаточных напряжений, возникающих при изготовлении тонкостенных конструкций летательных аппаратов из композиционных материалов. Технический результат от реализации данного изобретения заключается в повышении точности измерения остаточных напряжений, а также повышении ресурса и надежности элементов конструкций при их эксплуатации за счет учета вклада остаточных напряжений в общее напряженно-деформированное состояние. Способ определения остаточных напряжений в материале детали включает в себя установку образца в виде прямоугольной пластины в оптическую схему интерферометра, регистрацию спекл-структуры на поверхности образца в исходном состоянии высокоразрешающей видеокамерой, удаление образца из оптической схемы интерферометра, высверливание зондирующего отверстия, возвращение образца в исходное положение, регистрацию спекл-структуры деформированной поверхности образца, визуализацию картин интерференционных полос путем численного вычитания двух полученных ранее изображений, определение приращения диаметров зондирующего отверстия в направлении главных остаточных напряжений, вычисление компонент главных остаточных напряжений по формулам, вытекающим из теоретического решения о концентрации напряжений на контуре сквозного кругового отверстия в пластине при ее растяжении в произвольном направлении по отношению к главным осям анизотропии. 8 ил.

Способ определения остаточных напряжений в детали // 2598779

Изобретение относится к области авиастроения и предназначено для определения остаточных напряжений в поверхностных слоях деталей с радиусными переходами большой кривизны, например в зоне скругленной кромки лопатки турбины и компрессора. Сущность изобретения: осуществляют вырезку плоской заготовки, изготовление криволинейного образца прямоугольного сечения, последовательное снятие поверхностных слоев материала с остаточными напряжениями, чередующееся с определением геометрических параметров образца, выполнение расчетов с использованием формул и полученных в эксперименте геометрических параметров. Для определения остаточных напряжений используют образец V-образной формы с радиусом скругления криволинейной части R=1…3 и более мм, с дугой ABC с центральным углом φ≈126°±5°, с двумя концами-удлинителями, разведенными на угол α и образующими расчетный угол β≈126°±5°. Слои материала с остаточными тангенциальными напряжениями снимают на участке выпуклой поверхности криволинейной части с дугой ABC, после каждого снятого слоя измеряют толщину t криволинейной части, высоту Н образца, ширину А в основании образца, угол α развода удлинителей. При выполнении расчетов вначале определяют дополнительные параметры криволинейной части образца: расчетный угол β развода удлинителей, хорду а, стрелу h и радиус R дуги ABC, радиус r нейтральной линии изгиба и радиус ρ оси, смещение е между r и ρ, расстояние у от дуги радиусом r до выпуклой поверхности, используя формулы. После чего рассчитывают остаточные тангенциальные напряжения σi в поверхностных слоях материала, начиная с первого слоя, по формуле. Технический результат: возможность определения тангенциальных остаточных напряжений в зоне кромки пера лопатки с радиусом скругления 1…3 мм и более. 2 ил.

Способ определения напряжённого состояния лопаток турбины высокого давления // 2628304

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к авиадвигателестроению, а именно к способу определения физико-механического состояния рабочих лопаток турбины высокого давления (ТВД), в частности напряженного состояния лопатки. Сущность предложенного способа определяется тем, что в способе определения напряженного состояния лопатки ТВД, включающем определение поверхностных остаточных напряжений, объемных остаточных напряжений, вычисление суммарной энергии напряженного состояния от действия поверхностных и объемных остаточных напряжений и металлографическое исследование структуры материала, определение поверхностных остаточных напряжений, объемных остаточных напряжений и металлографическое исследование структуры материала выполняют на одной лопатке, причем определение поверхностных остаточных напряжений определяют на образцах прямоугольного сечения, вырезаемых вдоль оси пера от выходной кромки до центральной оси как со стороны спинки, так и со стороны корыта, объемные остаточные напряжения определяют на образцах прямоугольной формы с установленными на них тензорезисторами, вырезаемых от входной кромки до центральной оси как со стороны спинки, так и со стороны корыта, металлографическое исследование структуры материала проводят в поперечном сечении оставшейся части пера лопатки, а вычисление энергии напряженного состояния осуществляют путем сложения величин поверхностных и объемных остаточных напряжений, измеряющихся по глубине их залегания. 2 ил., 3 табл.