Неразрушающий контроль.

Методическое и нормативно-техническое обеспечение метода акустоупругости

Н.Е. Никитина

 

     Акустоупругость – сравнительно новое явление по сравнению с другими физико-механическими эффектами, которые в принципе можно использовать для определения напряжений в реальных конструкциях. Первым экспериментам по его обнаружению [1] «исполнилось» 50 лет, однако проблемы, встающие перед разработчиками практических методов измерения напряжений с его помощью, настолько сложны и многообразны, что продвижение результатов теоретических и экспериментальных исследований эффекта «в практическую плоскость» проходит довольно медленно.
     Следует заметить, однако, что ученые бывшего СССР находились в первых рядах активных исследователей акустоупругого эффекта в конструкционных материалах и, на мой взгляд, на «линии соприкосновения» теории и практики значительно опередили своих зарубежных коллег. Уже через четверть века после открытия этого явления сотрудниками ВНИИНК (Кишинев) под руководством В.М. Бобренко разработаны вполне пригодные к практическому применению ультразвуковые методы определения одноосных напряжений в стержневых деталях на основе измерения времени пробега вдоль детали импульса продольной волны. Основные результаты этих работ изложены в 4-ом томе справочника [2].
     Во многих элементах многосекционных конструкций, в трубах и сосудах большого диаметра реализуется плоское напряженное состояние, или его с большой степенью достоверности можно считать плоским в точке контроля. В этом случае для определения напряжений удобнее использовать волны, распространяющиеся по нормали к плоскости их действия. Основы акустоупругого метода определения двухосного напряженного состояния твердых тел созданы сотрудниками Института механики и Института электросварки АН Украины [3,4]. Это были для своего времени пионерские работы, так как за границами СССР в 70-х годах прошлого века мало кто из исследователей выходил за рамки измерения одноосных напряжений.
     В дальнейшем к этим исследованиям подключились сотрудники Горьковского филиала ВНИИ по нормализации в машиностроении Госсстандарта СССР под руководством Б.А. Конюхова, благодаря которому более 30 лет назад мне пришлось познакомиться с основными достоинствами и недостатками ультразвукового метода определения механических напряжений на примерах опытных образцов крупногабаритных конструкций специального назначения. В результате совместной работы по продвижению достижений украинских ученых в практику неразрушающего контроля появился нормативный документ [5], в доступной форме излагающий достигнутые на этом пути успехи и пропагандирующий их среди работников НИИ, КБ и заводских лабораторий. Основные принципы использования явления акустоупругости для измерения двухосных напряжений с помощью объемных упругих волн сложились в результате экспериментальных исследований напряженного состояния изделий спецтехники при их монтаже и эксплуатации. На их основе создан нормативной документ, утвержденный профильным институтом Госстандарта СССР [6]. Ключевые положения этого документа проверены при его внедрении на ряде предприятий военно-промышленного комплекса.
     Методические основы применения акустоупругого эффекта для определения плоского напряженного состояния конструкционных материалов с помощью продольных и сдвиговых волн, распространяющихся по нормали к плоскости действия напряжений, наиболее полно освещены в недавно вышедшей монографии [7]. В книге даны практические рекомендации по проведению прецизионных измерений временных интервалов, позволяющих определить фазовые скорости миллиметровых волн в реальных средах с внутренней структурой. Изложены принципы аппаратурного обеспечения метода, приведены экспериментальные данные по измерению коэффициентов упруго-акустической связи для основных конструкционных материалов. Приведены практические примеры определения плоского напряжённого состояния на основе явления акустического двулучепреломления, в том числе с использованием продольных волн для учёта изменения акустического пути при деформации материала. Предложены оригинальные способы оценки напряжений "in situ", при неизвестных значениях "нулей отсчёта" акустических параметров.
     Книга издана при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и ООО «ИНКОТЕС» и предназначена для научных работников, аспирантов, инженеров и студентов, занятых исследованиями и техническими разработками в области экспериментальной механики, физической акустики, неразрушающего контроля и диагностики материалов и изделий. Рецензировали ее замечательные ученые в области механики (доктор физ.-мат. наук, профессор П.А. Жилин) и в области акустики (член-корреспондент РАН В.А. Зверев).
     Большое значение для продвижения научных результатов в практику неразрушающего контроля промышленных объектов имеет нормативно-техническая документация, создаваемая на основе детально проверенных данных теории и эксперимента. В области акустоупругости такая работа продолжается и в настоящее время.
     В октябре 2007 года введен в действие национальный стандарт РФ, устанавливающий общие требования неразрушающего контроля напряжений в элементах конструкций [8]. Разработчиками его являются Нижегородский филиал Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН (Нф ИМАШ РАН), и ОАО «Научно-исследовательский центр контроля и диагностики технических систем» (ОАО «НИЦ КД»), в сотрудничестве с Техническим комитетом по стандартизации ТК 132 «Техническая диагностика».
     Стандарт распространяется на акустический эхо-метод определения одно- и двухосных напряжений, действующих в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волн для изотропных и анизотропных материалов, направления главных напряжений в которых совпадают с осями симметрии (в том числе листового проката, где напряжения действуют вдоль и поперек проката), но не затрагивает вопросов определения остаточных напряжений, возникающих при необратимых изменениях материала вследствие термообработки, пластической деформации, накопления усталостных повреждений и т.п. Он устанавливает основные требования к порядку определения механических напряжений, усредненных по толщине материала и площади ультразвукового пучка, в материале технических объектов с использованием метода акустической тензометрии как в лабораторных, так и в натурных условиях, при пуско-наладочных работах и в процессе эксплуатации.
     Хочется надеяться, что указанный стандарт послужит методической основой применения метода акустической тензометрии при решении широкого класса инженерных задач, требующих оперативной оценки напряженного состояния материала в составе ответственных технических объектов.
     Результаты лабораторных и полевых испытаний на объектах ГАЗПРОМА позволили разработать и аттестовать в установленном порядке методику ультразвукового контроля напряжений в трубах большого диаметра [9]. Методика разработана специалистами ООО «ИНКОТЕС», аттестована Нижегородским Центром стандартизации и метрологии и внесена в Федеральный реестр МВИ, применяемых в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора.
     Нормативный документ устанавливает процедуру выполнения измерений одноосных (осевых или окружных) или двухосных (осевых и окружных) механических напряжений 1-го рода в условиях упругой деформации. Объектом измерений являются бесшовные и прямошовные стальные трубы диаметром 325-1420 мм, изготовленные из конструкционных сталей.
     Область использования методики: магистральные газонефтепроводы, трубопроводные обвязки технологического оборудования компрессорных, дожимных компрессорных и нефтеперекачивающих станций, станций подземного хранения газа, газораспределительных станций, узлов замера расхода газа. Методика может также применяться для аналогичных стальных труб, используемых в других отраслях: транспорте, энергетике, химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.
     С 1 января 2010 года вводится в действие для добровольного применения национальный стандарт, устанавливающий общие требования неразрушающего контроля напряжений в материале трубопроводов [10]. Стандарт разработан Нф ИМАШ РАН, ООО «ИНКОТЕС» и ОАО «НИЦ КД», на основе вышеуказанной методики, и подготовлен для утверждения ТК 132 «Техническая диагностика».
     Стандарт распространяется на акустический эхо-метод определения одноосных или двухосных (осевых и окружных) напряжений 1-го рода в материале трубопроводов в условиях упругой деформации. Он устанавливает основные требования к порядку определения механических напряжений, усредненных по толщине материала и площади ультразвукового пучка, с использованием объемных ультразвуковых волн, распространяющихся в стенке трубы в радиальном направлении. Стандартизованный метод может быть использован для тонкостенных (с отношением внутреннего диаметра трубы к толщине стенки не менее 20) бесшовных и прямошовных металлических труб диаметром свыше 325 мм, применяемых для строительства магистральных и технологических трубопроводов. Регламентируемый стандартом метод акустической тензометрии может применяться как при стендовых испытаниях труб, так и в натурных условиях, при монтажных, пуско-наладочных работах и в процессе эксплуатации.
     Хочется думать, что результаты экспериментальных и теоретических исследований основных проблем использования явления акустоупругости в неразрушающем контроле, достигнутые к настоящему времени, помогут поставить этот сравнительно новый метод измерения напряжений в твердых телах в один ряд с более известными, такими как рентгеновский метод, электротензометрия и некоторые другие. Надеюсь, что метод акустоупругости, обеспеченный научной и научно-популярной литературой, сертифицированными приборами для проведения измерений, подробными инструкциями и нормативно-технической документацией по проведению контроля напряжений в реальных промышленных объектах, будет продуктивно использован широким кругом потенциальных потребителей.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Benson R.W., Raelson V.J. From ultrasonics to a new stress-analisis technique. Acoustoelasticity // Product. Eng. 1959. Vol. 30. Р. 56-59.
  2. Неразрушающий контроль. Справочник под ред. В.В. Клюева. Т. 4, кн. 1. Акустическая тензометрия / Анисимов В.А., Каторгин Б.И., Куценко А.Н. и др. М.: Машиностроение, 2004. 226 с.
  3. Гузь А.Н., Махорт Ф.Г., Гуща О.И., Лебедев В.К. Основы ультразвукового неразрушающего метода определения напряжений в твердых телах. Киев: Наукова думка. 1974. 106 с.
  4. Гузь А.Н., Махорт Ф.Г., Гуща О.И. Введение в акустоупругость. Киев: Наукова думка. 1977. 162 с.
  5. Методика. Техническая диагностика. Определение напряжений в элементах конструкций акустическим методом. Горький: Гф ВНИИНМАШ, 1977. 32 с.
  6. Методика. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Экспериментальные методы определения напряженно-деформированного состояния элементов машин и конструкций. Акустические методы определения остаточных напряжений в конструкционных материалах. Горький: Гф ВНИИНМАШ. 1980. 28 с.
  7. Никитина Н.Е. Акустоупругость. Опыт практического применения. Н. Новгород: ТАЛАМ, 2005. 208 с.
  8. ГОСТ Р 52731-2007. Контроль неразрушающий. Акустический метод контроля механических напряжений. Общие требования. М.: Стандартинформ, 2007.
  9. Трубы стальные для трубопроводов. Методика выполнения измерений механических напряжений методом акустоупругости. ФР.1.31.2006.0283. Свид-во об аттестации № 531/1700.
  10. ГОСТ Р 52890-2007. Контроль неразрушающий. Акустический метод контроля напряжений в материале трубопроводов. Общие требования. М.: Стандартинформ, 2009.