Прогнозирование разрушения конструкционных сталей

На правах рукописи

Нагинаев Константин Евгеньевич

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ

Специальность 01.04.07 – физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки «Физико-технический институт» им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук.

Научный руководитель:	доктор физико-математических наук Савельев Владимир Николаевич
Официальные оппоненты: Лексовский Альберт Мечеславович, доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, ФГБУН ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН
Нефедьев Евгений Юрьевич, кандидат физико-математических наук, ОАО «НПО ЦКТИ» им.И.И.Ползунова, заведующий лабораторией
Ведущая организация:	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный Университет»

Защита состоится "25" апреля 2012г. в 16 часов.

на заседании диссертационного совета Д 212.229.05 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу:

195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, II-й учебный корп., ауд. 265

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан – «___» ________ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат физ.-мат. наук, доцент Воробьева Т. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Еще недавно прогнозирование разрушения материалов считалось принципиально невозможным, да и в настоящее время продолжаются дискуссии о возможности такого прогноза.

Однако, несмотря на сложность проблемы прогнозирования, принципиальная возможность её решения вытекает из разработанного в ФТИ им.А.Ф. Иоффе кинетического подхода к разрушению твердых тел [Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. - М.: Наука, 1974. – 560 с.]. Согласно этому подходу разрушение начинается практически с момента приложения к телу любой (а не только “предельной”) и заключается в образовании и развитии микроскопических трещин и пор. Этот процесс “микроразрушения” и готовит переход к макроразрыву, а долговечность (время до разрушения) можно рассчитать на основании общего для структурно стабильных материалов кинетического уравнения, если известны входящие в это уравнение коэффициенты.

Однако, для широко используемых конструкционных сталей, особенно при умеренных температурах, применимость кинетического уравнения в прямом виде затруднено из-за нестабильности структуры (и, следовательно, коэффициентов уравнения).

Поэтому, согласно кинетическому подходу, для прогнозирования разрушения конструкционных сталей необходимо изучение закономерностей развития под нагрузкой микроскопических трещин и выявление прогностических признаков перехода к макроразрыву. Именно такой подход к прогнозированию разрушения и определил актуальность постановки данной работы.

Задача исследования, выявления и оценки степени опасности различных дефектов является актуальной не только с научной, но и с технической точки зрения, поскольку даже наличие крупных дефектов, “заложенных” при изготовлении или монтаже оборудования не является в общем случае основанием для выбраковки изделий после их эксплуатации в течение длительного срока (зачастую более 20-30 лет). Поэтому обеспечение безопасной эксплуатации производственных объектов связано с выявлением развивающихся при эксплуатационных нагрузках дефектов типа трещин.

Применение традиционных методов неразрушающего контроля (НК) для оценки технического состояния промышленных объектов основано на гриффитсовской теории прочности и, соответственно, все нормы браковки можно смело назвать геометрическими: нормируется максимальный размер недопустимого дефекта (длина трещины, диаметр поры и т.п.). Естественно, при таком подходе не учитывается время, нет классификации обнаруженных дефектов на развивающиеся и неразвивающиеся, следовательно, любые попытки решить задачу оценки срока безопасной эксплуатации оборудования на основе только традиционных методов НК не могут быть признаны эффективными.

Наиболее достоверную информацию о трещинах в металле корпуса и элементах технологического оборудования дает метод акустической эмиссии (АЭ), он позволяет выявлять наиболее опасные - развивающиеся дефекты, оценить их степень опасности и определить местоположение. Этот метод в настоящее время широко применяется для исследования процесса разрушения различных материалов на лабораторных образцах, на моделях промышленных объектов и результаты этих исследований используются для оценки реального технического состояния промышленных объектов при их АЭ контроле. Методом АЭ за непродолжительное время можно проконтролировать весь объект, он по своей разрешающей способности к процессу трещинообразования значительно превышает возможности традиционных методов НК. Поэтому разработка научно обоснованной методики оперативного, достоверного и надежного контроля технологических объектов с учетом всех факторов опасных производств актуальна (целесообразна) и экономически оправдана. Задаче разработки научной, физически обоснованной базы для определения срока безопасной эксплуатации различного технологического оборудования с помощью АЭ контроля и посвящена данная работа.

Цель исследования – выявление физического критерия начала формирования и развития макроразрушения стальных образцов и на этой базе разработка новой методики оценки работоспособности и срока дальнейшей безопасной эксплуатации в первую очередь такого оборудования, которое мало пригодно для контроля традиционными методами неразрушающего контроля.

Для достижения цели решали следующие основные задачи:

Проанализировать существующие теории, описывающие процесс разрушения гетерогенных материалов.

Исследовать процесс разрушения гетерогенных материалов на всех стадиях этого процесса и при этом получить информацию о развитии и накоплении трещин.

Определить зависимость параметров акустической эмиссии при разрушении гетерогенных материалов с увеличением нагрузки.

Выявить характерные признаки развития процесса разрушения конструкционных сталей на ранней стадии для обоснования возможности применения АЭ контроля и для выработки критериев допуска в эксплуатацию промышленных объектов с выявленными методом АЭ дефектами (обеспечивая при этом необходимый уровень безопасности и время работы объектов).

Показать, что при проведении периодического акустико-эмиссионного контроля действующего оборудования, изготовленного из конструкционных сталей, процесс развития микротрещин от их зарождения до момента макроразрушения (весь процесс развития разрушения) можно надежно контролировать.

Провести анализ существующих подходов к определению технического состояния, продлению срока безопасной эксплуатации и определению остаточного ресурса оборудования.

На основе выявленных физических критериев контроля за процессом разрушения конструкционных сталей, разработать, согласовать и утвердить методику диагностирования и прогнозирования технического состояния реальных объектов. Провести апробацию этой методики на действующем оборудовании и в дальнейшем на основе этого документа проводить работы по продлению срока службы этого оборудования.

Объект исследования: конструкционные низколегированные и углеродистые стали.

Предмет исследования: методика по определению технического состояния и продлению срока безопасной эксплуатации действующего оборудования.

Методы исследования: метод АЭ, другие методы НК (визуальный и измерительный - ВИК, ультразвуковой - УЗК и др.), механические испытания, спектральный анализ.

Защищаемые положения.

Получены критерии оценки источников акустической эмиссии и соответствие их стадиям разрушения, а также на их основе - критерии оценки технического состояния оборудования по результатам акустико-эмиссионного контроля и критерии назначения сроков безопасной эксплуатации объекта на базе АЭ контроля.

Акустико-эмиссионный метод неразрушающего контроля позволяет проводить диагностику действующего оборудования в упругой области, не вызывая необратимых изменений свойств материала, при этом получая полную картину о наличии и степени опасности дефектов в объекте.

Акустико-эмиссионный метод неразрушающего контроля является основным при диагностике широкого спектра оборудования, по отношению к другим методам неразрушающего контроля.

Нормативный документ по техническому диагностированию испарителя-теплообменника позволяет в необходимом и достаточном объеме проводить его диагностику.

Научная и практическая новизна.

1. Проведение исследований, связанных с прогнозированием макроразрушения конструкционных сталей, и на их основе диагностики действующего оборудования различных типов, изготовленного из таких материалов.

2. Предложены количественные физически обоснованные критерии при использовании акустико-эмиссионного метода для контроля процесса разрушения конструкционных сталей и для диагностики технологического оборудования.

3. На основе полученных при выполнении диссертационной работы результатов была разработана и успешно применяется новая методика по техническому диагностированию теплообменного оборудования станции охлаждения газа импортного производства, в том числе по продлению срока безопасной эксплуатации испарителей-теплообменников отечественного и импортного производства в условиях Приполярья и Заполярья.

Достоверность результатов, полученных в диссертации, обусловлена использованием современных физических методов исследования, большим числом экспериментов, тщательной проработкой научно-методического сопровождения экспериментов, подтверждается достаточной воспроизводимостью и необходимым соответствием результатам других исследователей.

Практическая значимость.

Полученные результаты позволили на базе физического подхода к прогнозированию разрушения гетерогенных материалов предложить конкретные прогностические признаки готовящегося макроскопического разрушения образцов из конструкционных сталей с применением метода акустической эмиссии. Впервые на основании разработанных критериев макроразрушения гетерогенных материалов проведены работы по определению реального технического состояния модели трубопровода и различного технологического оборудования. Впервые разработана и проведена апробация на действующем оборудовании "Инструкции по техническому диагностированию теплообменного оборудования станции охлаждения газа импортного производства" в условиях Крайнего Севера.

Апробация работы: Материалы диссертации докладывались на: III Международной конференции "Энергодиагностика и Condition Monitoring" (Москва, 2000); XXI тематическом семинаре "Диагностика оборудования и трубопроводов КС" (, 2002); XXII тематическом семинаре "Диагностика оборудования и трубопроводов КС" (2003); 5 Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России "Новые технологии в газовой промышленности" (Москва, 2003); Х научно-технической конференции «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов» (СПб, 2004); ХI научно-технической конференции «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов» (СПб, 2005); XXIV тематическом семинаре "Диагностика оборудования и трубопроводов КС", 2005 г.; XVI Международной конференции "Физика прочности и пластичности материалов" (Самара, 2006); XXV тематическом семинаре "Диагностика оборудования и трубопроводов КС" (, 2006); XXVI тематическом семинаре "Диагностика оборудования и трубопроводов КС", 2007); Научно-технической конференции «Акустическая эмиссия. Достижения в теории и практике» 2008); VI Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур» 2008); Проведена апробация нормативных документов по диагностике оборудования различных типов. Впервые на основании разработанного нормативного документа проведены работы по продлению срока безопасной эксплуатации испарителей-теплообменников отечественного и импортного производства в условиях Приполярья и Заполярья.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 15 печатных работах, в том числе по теме диссертации – 12, в изданиях перечня ВАК – 4.

Структура и объем диссертации. Содержание диссертации изложено на 135 страницах текста, текст содержит 18 таблиц и 57 рисунков. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и приложения. Список цитируемой литературы включает 130 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулирована ее цель и основные направления исследований.

В первой главе, содержащей обзор литературных данных, приведены результаты изучения процесса разрушения гетерогенных материалов. Рассматриваются и анализируются основные физические концепции модели разрушения материалов: силовой подход и основные положения теории трещин, кинетическая теория прочности, разработанная в ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, включая двухстадийную модель разрушения.

Приведен обзор результатов по акустико-эмиссионному контролю процесса разрушения материалов в лабораторных и полевых условиях и возможности по изменению акустико-эмиссионных параметров следить за процессом разрушения материалов. Несмотря на достаточно большое число публикаций по данным вопросам и предлагаемым диагностическим признакам развития процесса разрушения, автор делает вывод о необходимости дополнительного исследования процесса разрушения низколегированных конструкционных сталей, в сопровождении акустико-эмиссионного контроля. Такие исследования позволяют уточнить результаты и выводы, сделанные в публикациях, поскольку большинство рассмотренных в публикациях работ проведены на чистых металлах, либо на сталях других классов с недостаточно прописанными количественными критериями и характеристиками АЭ контроля за процессом разрушения материалов. В результате этого подобные данные затруднительно применить для практического использования на реальных объектах.

Далее приведен обзор существующих и действующих в настоящее время методических и нормативных документов, касающихся определения реального технического состояния и продления срока службы оборудования газовой промышленности. Отмечено отсутствие каких-либо нормативных документов по продлению срока службы испарителей-теплообменников. На основе шестилетнего опыта работы автора проведен анализ применения различных методов неразрушающего контроля при диагностике оборудования газовой отрасли, отмечены преимущества акустико-эмиссионного метода неразрушающего контроля. Приведен анализ критериев оценки остаточного ресурса оборудования, существующих в настоящее время, сделан вывод об их недостаточности и неполноте.

Во второй главе описаны основные результаты экспериментов, полученных автором, методики их проведения, установки и приборы, использовавшиеся в диссертационной работе. Методом регистрации трещин, применявшийся в работе, служил метод акустической эмиссии. Суть АЭ метода – в следующем. При зарождении и развитии трещин происходит динамическая перестройка объема вокруг данной трещины, которая вызывает формирование упругой волны в материале, которая регистрируется преобразователем АЭ, с последующей записью АЭ системой.

В первой серии экспериментов проводилось статическое нагружение монолитных образцов (в виде двойной лопатки) и образцов с концентраторами (надрезом), изготовленных из стали 09Г2С (из этой марки стали изготовлена подавляющая часть технологического оборудования ОАО «Газпром») до разрыва, при этом фиксировались АЭ сигналы с момента приложения нагрузки до момента разрыва образцов. Таким образом, определялись диагностические признаки процесса разрушения, возможность и достоверность их регистрации АЭ аппаратурой, а также достаточность совокупности зарегистрированных диагностических признаков для определения той или иной стадии процесса разрушения объекта.

Сигналы АЭ регистрируются уже на стадии упругой деформации, что свидетельствует о наличии и развитии дефектов в структуре образца с ростом нагрузки при небольших напряжениях и появления зоны пластической деформации на диаграмме, наличие которой обусловлено началом интенсивного движения дислокаций, ведущее к образованию микротрещин (рис.1). По характеру накопления сигналов АЭ надежно выделяются момент формирования и

дальнейшее развитие очага макрораз-рушения с локализацией его в зоне шейки (плоские образцы) или искусственного кон-центратора (образцы с надрезом). Качест-венное различие процессов, происходящих в материале образцов, иллюстрируется качест-венным изменением зависимостей различ-ных параметров АЭ. Так, переход от упру-гой к пластической деформации четко виден по изменению характера графиков накопле-ния сигналов и активности АЭ (рис.1). Характерный всплеск АЭ наблюдается на

Рис 1. Результаты испытаний образцов. 1-диаграмма растяжения образца; 2-зависимость накопления сигналов АЭ от деформации; 3-изменения амплитуды сигналов АЭ от деформации.