Снятие остаточных напряжений низкочастотной виброобработкой

Журнал "Заготовительные производства в машиностроении" №8, 2012

В статье описана технология низкочастотной виброобработки, предназначенной для снижения уровня остаточных напряжений в различных конструкциях, позволяющая в ряде случаев отказаться от классической термической обработки. Эффективность метода подтверждена изучением распределения полей остаточных напряжений в различных конструкциях как до применения виброобработки, так и после ее применения.

А.П. Летуновский, генеральный директор ООО «МАГНИТ плюс», г. Санкт-Петербург
А.А. Антонов, д.т.н., профессор кафедры сварки и мониторинга нефтегазовых сооружений РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, г Москва
О.И. Стеклов, д.т.н., профессор кафедры сварки и мониторинга нефтегазовых сооружений РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, г Москва

Значительная часть металлоконструкций эксплуатируется в условиях сложного напряженно-деформированного состояния и воздействия природных и технологических сред, вызывающих необратимые физико-химические изменения в металле, снижающие эксплуатационную надежность конструкции.

Снятие остаточных напряжений низкочастотной виброобработкой

Рис. 1. Пример дефектов металла, возникающих при содействии остаточных напряжений в металле

Суммарные напряжения от рабочих нагрузок и остаточные технологические в условиях воздействия коррозийно-активных сред в связи с механохимическим эффектом могут повышать скорость общей коррозии и вызывать наиболее опасные виды разрушения – коррозионное растрескивание под напряжением (КРП) и коррозийную усталость (рис.1). Например, около 70 % аварийных отказов магистральных газопроводов России вызваны КРН [1, 2].

По данным Международной ассоциации инженеров - коррозиционистов NACE ущерб от коррозии и затраты на борьбу с ней в США составили 3,1 % от ВВП (276 млрд дол. США). По оценкам специалистов различных стран, эти потери в промышленно развитых странах составляют от 2 до 4 % валового национального продукта. При этом потери металла, включающие массу вышедших из строя металлических конструкций, изделий, оборудования, составляют от 10 до 20 % годового производства стали [3].

Для предотвращения аварийных отказов важными являются оценки уровня остаточных напряжений и разработка технологических методов их устранения.

Для каждого металла и сплава существуют предельные (критические) напряжения, а также ряд других параметров, которые определяют стойкость материала к коррозии. Проблема возникновения остаточных механических напряжений в металле известна достаточно продолжительное время и возникает на каждой стадии изготовления металлоконструкции: проката, резки, рубки, мехобработки, штамповки, вальцовки, сварки, а также раскрое заготовительных и сборочных процессов (Рис.2).

Рис. 2. Пример увеличения внутренних напряжений
в металле на примере создания магистрального трубопровода

В связи с этим возникает необходимость в изучении и применении технологий, способных снизить остаточные напряжения в металле, уменьшая вероятность развития коррозии, предотвращая будущие разрушения еще на этапе строительства или проведения ремонтных работ. Одним из таких методов является низкочастотная виброобработка (НВО).

Сущность способа заключается в создании в сварных конструкциях после сварки переменных напряжений определенной величины с помощью механических вибраторов. Виброобработка осуществляется, как правило, на резонансных или близких к резонансным частотах в течение определенного промежутка времени. В ряде случаев виброобработку применяют взамен термической обработки, что экономичнее примерно в 10 раз, так как она имеет следующие преимущества [4]:

Необходимое для виброобработки оборудование является универсальным для различных конструкций, компактным и мобильным.
Стоимость этого оборудования, а также затраты на его обслуживание и уход за ним относительно невелики.
Процесс снятия напряжений, в том числе сварочных, протекает быстро (максимальное время обработки 50 тонной детали составляет 30 мин.).
Металл и поверхность деталей после обработки не претерпевает заметных физико-механических повреждений (нет окалины, шлака, цветов побежалости и т.п.).

Понижение остаточных напряжений в процессе вибрации достигается в результате сочетания напряжений (вибрационных и остаточных), при определенных значениях которых материал становится пластичным.

Необходимым условием, при котором наблюдается снижение остаточных напряжений, является достижение предела текучести при вибрации сочетанием остаточных и вибрационных напряжений. Предел текучести при циклическом нагружении для некоторых материалов может быть снижен в 2 раза по сравнению с пределом текучести при статическим нагружении, в связи с чем при пульсирующих напряжениях небольшого уровня наблюдается снижение остаточных напряжений. Наибольшее уменьшение остаточных напряжений происходит уже при первом цикле, последующее снижение напряжений происходит менее интенсивно на отрезке до 100 циклов с постепенным затуханием этого процесса при дальнейшем циклическом нагружении.

При проведении работ по снятию остаточных напряжений и изменению напряженно-деформированного состояния требуется обязательных приборных контроль полей остаточных напряжений, картины их распределения в сварных соединениях. Учитывая, что уровень механических напряжений в реальной конструкции может значительно отличаться даже в двух незначительно удаленных друг от друга точках, важно видеть картину напряженного состояния элемента конструкции в целом до и после проведения работ. Своевременный контроль позволяет подбирать требуемые режимы и контролировать качество проведенных работ.

Под термином «разрушение» подразумевают несколько разномасштабных явлений. Это и разделение куска вещества (на два или несколько), и образование и рост трещины в пределах одного элемента микроструктуры (например, в масштабах зерна 10...100 мкм), и разрыв атомарных связей с образованием новой поверхности в масштабах кристаллической решетки металла. Разрушение – это факт образования микро- или макротрещины. Для зарождения трещины необходим соответствующий концентратор напряжений. Исследование примерно 150 тыс. сварных соединений на 1500 паропроводах ТЭС с макс. наработкой до 200…300 тыс. ч., показало, что в 1103 случаев повреждения отмечаются в сварных соединениях с повышенной концентрацией напряжений.

Для визуализации полей напряженного состояния исследуемой области металлоконструкции нами использовался аппаратно-программный комплекс "Сканер механических напряжений "Комплекс-2.05", основанный на магнитоанизотропии металла.

Данный прибор позволяет получить картограммы распределения параметров напряженного состояния исследуемой области конструкции – в основном металле, сварном шве и околошовной зоне – с представлением информации о наличии напряженных состояний в исследуемой зоне. Результаты документируются в виде картограмм разности главных механических напряжений (РГМН) и коэффициентов концентрации механических напряжений (КМН).

Рис. 3. Внешний вид диагностируемых труб (слева)
и сканера-дефектоскопа «Комплекс 2.05» (справа)

В качестве примера оценки напряженного состояния металла рассмотрим состояние участка трубы заводского изготовления (K65 Ø 1420 с толщиной стенки 40 мм., рис. 3).

На рис. 3 мы показана труба без изоляции с координатной сеткой, подготовленной для дефектоскопии. Проведя замеры, мы получили два вида карт: разности главных механических напряжений (РГМН, цветная градиентная) и концентраторов механических напряжений (КМН, черно-белая).

На карте РГМН (рис. 4) вдоль проекции сварного шва в области линии 9 линии по вертикали наблюдаются неоднородное распределение областей разности главных механических напряжений, которые варьируются от +40 до +30. В зонах от 7 до 9 и от 9 до 12 наблюдается резкое изменение напряженного состояния металла: знак РГМН меняется на противоположный с высоким градиентом перехода до -20 через нулевое значение. На карте КМН (см. рис. 4) в точках {5:8}, {7:4}, а также вдоль горизонтальной линии 9 присутствуют зоны концентраторов напряжений, что в сочетании с высоким градиентом является одним из основных факторов зарождения дефектов.

Рис. 4. Карты РГМН – разности главных механических напряжений
и КМН – концентраторов механических напряжений

В обе стороны сварного шва в зоне изгиба трубы на карте РГМН наблюдаются гармонические повторения напряженности металла, возникновение которых обусловлено деформацией металла во время пошаговой формовки.

На основании выявленных диагностических признаков можно сделать вывод о целесообразности применения способов обработки металла с целью снятия остаточных механических напряжений. При этом главной целью мероприятия должно быть снижение коэффициентов концентрации напряжений, что исключает вероятность возникновения трещин.

Однако, только контроля за распределением параметров напряженного состояния недостаточно, поэтому для получения достоверных данных о величине и направлении главных компонент напряженного состояния был применен метод физического измерения напряжений. В соответствии с ГОСТ Р 52891-2007 он называется методом лазерной интерферометрии.

Метод основан на упругой нагрузке, возникающей в локальной области исследуемого изделия, путем засверловки несквозного отверстия малого диаметра и глубины (2…5 и 1…2,5 мм соответственно). Регистрация возникающих деформаций в области засверленного отверстия проводится бесконтактным методом – с применение спекл-интерферометра. Точность определения деформации таким методом достигает ± 130 нм, что позволяет определить деформации, вызываемые наличием невысоких остаточных напряжений (5% от предела текучести).

В отличие от классического метода трепанации с фиксацией результатов с применением тензодатчиков метод лазерной интерферометрии позволяет получить точные данные по величине, знаку и направлению главных осей напряжений за 10…15 мин (в отличие от нескольких недель для метода трепанации) (рис. 5).