Неразрушающий контроль. Металлургия

НЕРАЗРУШАЮЩИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ В ПРОЦЕССЕ ПРОИЗВОДСТВА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС.

Смирнов В.А., Камышев А.В.

 

            Как указано в стандарте NF EN 13262 «Колесные пары и тележки» [1], в результате термообработки в ободе ж/д колеса (рис.1.) должно возникать поле сжимающих остаточных напряжений, направленных по окружности внутри обода. В соответствии с данным стандартом уровень сжимающих напряжений должен быть равен нулю на внутренней стороне обода и достигать значений 80-150 Н/мм2 (МПа) на внешней стороне. В качестве рекомендуемого метода измерения напряжений приведен метод акустоупругости. Целью данной работы являлась проверка возможности оценки величины указанных напряжений с помощью измерителя механических напряжений ИН-5101А производства ООО «ИНКОТЕС», реализующего указанный метод.



Рис. 1. Железнодорожное цельнокатаное колесо диаметром 957 мм.

      В ходе работы были выполнены измерения напряжений в ободьях двух колес диаметром 957 мм №304336 (плавка № 07445) и №359630 (плавка № 06446), произведенных на ОАО «Выксунский металлургический завод», изготовленных по черт. 13.45.1043-01А из стали колесной ГОСТ 10791-2004.
      Примененный метод определения механических напряжений основан на использовании явления акустоупругости - зависимости скорости распространения упругих волн в контролируемом объекте от действующих в нем механических напряжений [2].
      Практическая реализация упруго-акустического эффекта основана на прецизионном измерении скорости ультразвука в напряженном материале и сравнении результатов измерений с данными, относящимися к его «исходному» состоянию. Для создания упругих волн в твердой среде в приборе ИН-5101А использован импульсный ультразвуковой метод возбуждения упругих волн с помощью контактного совмещенного преобразователя, осуществляющего и излучение, и прием ультразвука.
      В соответствии с [1] радиальные напряжения в объеме обода являются пренебрежимо малыми. Поэтому напряженное состояние можно считать одноосным. Непосредственно измеряемым параметром при этом являлись времена распространения (задержки) двух взаимно перпендикулярно поляризованных сдвиговых волн: t1 и t2 соответственно по каналам №№ 1, 2 прибора. За начало отсчета времени принимался первый отраженный импульс. Здесь и далее индексы 1 и 2 соответствуют окружному и радиальному направлениям обода колеса. Все волны распространяются по нормали к плоскости действия напряжений.
      Полученные значения подставлялись в уравнение акустоупругости для одноосного состояния [2], решением которого являлись значения окружного напряжения, .




      где D - коэффициент упруго-акустической связи для одноосного напряженного состояния. Для оценки напряжений использовались значения величины D, соответствующие средним для углеродистых сталей.

      Уравнение позволяет получить величину изменения напряжений относительно некоторого начального уровня, которому соответствуют значения задержек для вышеперечисленных типов волн t01 и t02. В соответствии с [1] (приложение D) за начальный уровень были приняты значения задержек, измеренные в точке обода, ближайшей к центру колеса (точка А, рис.2.). Таким образом, полученные значения напряжений соответствовали разности значений окружных напряжений между точками измерения и точкой А.




Рис.2. Расположение точек измерения напряжений на ободе колеса в каждом из сечений.

      Измерения проводились в двух противоположных сечениях на внутренней боковой поверхности ободьев каждого колеса. В каждом сечении измерения проводились в 2-х 3-х точках, расположенных на расстоянии приблизительно 20 мм друг от друга. (точки 1 – 3. рис.2.)
      Для измерений использовался прибор ИН-5101А зав. № 05003 с 3-х компонентным датчиком зав. № 06001 производства ООО "ИНКОТЕС" (рис.3.).




Рис.3. Измерение прибором ИН-5101А напряжений в ободе ж/д колеса.

      На рис.4. представлены результаты измерения временных задержек в ободе ж/д колеса. Как видно из рисунка, задержка импульса (tn) составляет более 50 мкс, при этом форма второго переотраженного акустического импульса не имеет значительных искажений. В соответствии с [3] оба этих фактора являются необходимыми условиями обеспечения достаточной надежности измерений.




Рис.4. Результаты измерения временных задержек прибором ИН-5101А. tn – задержка отраженного импульса 2 относительно 1.

      Результаты измерений приведены в табл.1.

Таблица 1. Результаты измерений остаточных напряжений
в ободьях железнодорожных колес.
Номер колеса
Сечение
№ точки
Измеренное
значение
напряжения,
МПа
304336
(плавка № 07445)
1 1 -30
2 -110
3 -259
2
1 -127
2 -33
359630
(плавка № 06446)
1 1 -17
2 -58
2
1 -67
2 -147

      Как видно из таблицы, во всех точках измеренные остаточные напряжения являются сжимающими (отрицательными) и по модулю возрастают от центра к периферии. При этом полученные значения в точках измерения №№ 1 и 2 для всех колес и сечений близки к приведенным в [1]. Значительное увеличение значения напряжений в точке 3 колеса 304336 (плавка № 07445) может быть обусловлено погрешностью измерений, вносимой искажением формы акустического импульса при отражении от противоположной поверхности в районе края обода.
      Для колеса №304336 измеренные напряжения в обоих сечениях для каждой из точек практически одинаковы с учетом погрешности измерения. Перераспределение напряжений по окружности обода в колесе №359630 (в точках 1 и 2 в сечении 1 напряжения ниже, чем сечении 2) может быть обусловлено наличием в точке 2 дефекта в виде несплошности. На его наличие указывает появление дополнительного импульса на осциллограмме (рис.5).




Рис.5. Проявление дефекта – несплошности при измерении задержек (точка 1 сечение 1 колесо № 359630). Д – дополнительный отраженный сигнал.

      После проведения измерений оба колеса были разрезаны (рис.6) на предмет оценки величины остаточных сжимающих напряжений в соответствии с инструкцией завода-изготовителя.




Рис.6. Схождение краев реза вследствие внутренних сжимающих напряжений.



Рис.7. Измерение величины схождения.

      Схождение краев реза составило 2,7 и 2,8 мм для колес №№ 304336 и 359630 (рис. 7) соответственно (при норме 1-5 мм), что подтверждает наличие в них примерно равных по величине сжимающих напряжений. Таким образом, результаты измерения остаточных напряжений прибором ИН-5101А не противоречат результатам разрушающего контроля.

Выводы
  1. Акустические характеристики объектов контроля (ободьев ж/д колес) позволяют проводить контроль остаточных напряжений в них с необходимой эффективностью и надежностью.
  2. Характер распределения остаточных напряжений и значения их величин, полученные в результате измерений, соответствуют данным [1].

Литература

  1. NF EN 13262, Колесные пары и тележки. Колеса – Требования к продукции. Европейский стандарт. Французский стандарт - ANFOR, 2004, 51 с.
  2. Никитина Н.Е. Акустоупругость. Опыт практического применения. - Н. Новгород: ТАЛАМ, 2005, 208 с.
  3. Трубы стальные для трубопроводов. Методика выполнения измерений механических напряжений методом акустоупругости. (аттестована ФГУ «Нижегородский ЦСМ», Свидетельство № 531/700 от 27.01.06 г.) - Н. Новгород: ООО «ИНКОТЕС», 2006, 23 с.