Возможности оценки остаточных напряжений в сварных конструкциях

Статья опубликована в Ежеквартальном журнале «В МИРЕ НК» №1, т. 21, 2018

А.А. Антонов, РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина,
Доцент, к.т.н. А.П. Летуновский, Генеральный директор ООО «МАГНИТ-плюс»

Рабочие нагрузки, действующие на конструкцию, вызывают возникновение в ней внутренних механических напряжений. Обычно именно по предельным значениям рабочих нагрузок ведется расчет работоспособности любой конструкции. В этом расчете кроме известных значений внутренних напряжений в зависимости от рабочих нагрузок присутствует коэффициент запаса. Его роль – учет факторов, влияние которых на несущую способность невозможно предвидеть.

Одним из таких факторов являются внутренние механические остаточные напряжения. Они отличаются от рабочих напряжений временем действия. Рабочие напряжения – временные напряжения. Они действуют до тех пор, пока к изделию приложены внешние нагрузки. В отличие от них, остаточные напряжения присутствуют в конструкции независимо от наличия или отсутствия внешнего воздействия. Они возникают в результате локальных пластических деформаций от неравномерного нагрева, локального внешнего механического воздействия, локальных структурно-фазовых изменений и т.п.

Влияние остаточных напряжений на несущую способность не столь прямолинейно, как влияние рабочих напряжений. Наиболее сильно оно сказывается на ограничении несущей способности при циклических рабочих нагрузках, при малом запасе пластичности материала, при низких температурах.

Приближение расчетного значения коэффициента запаса к единице ведет к снижению металлоемкости конструкции, снижению ее массы и габаритов. Одним из направлений снижения коэффициента запаса – это учет имеющихся остаточных напряжений.

В большинстве случаев именно в зоне сварного шва наблюдаются максимальные уровни остаточных напряжений. А в поперечном к шву направлении обычно фиксируется их максимальный градиент (рис. 1). На базе, соответствующей ширине шва, значение напряжений может меняться от нулевого (на линии сплавления) до максимального, близкого к пределу текучести материала (в центре шва). По некоторым данным, градиент в поперечном направлении в сварном шве может достигать 200 МПа/мм [1]. Следовательно, возникает требование к величине базы усреднения методов. Для зоны сварного шва она не должна превышать 3…5 мм.

Рис. 1. Характерное распределение продольных остаточных напряжений в зоне шва на пластине

Зоне сварного шва присущи и другие особенности, которые серьезно ограничивают применение стандартных методов оценки остаточных напряжений. Это – и чешуйчатость поверхности сварного шва, что усложняет или делает невозможным контактные способы измерения напряженного состояния. И иной структурно-фазовый и химический состав шва и зоны термического влияния (ЗТВ) по сравнению с основным металлом, что не позволяет применять для физических методов тарировочные кривые, полученные на основном металле. Поэтому применение методов, основанных на измерении какого-либо физического показателя материала, зависящего от значения остаточных напряжений, для оценки напряженного состояния в шве и ЗТВ однозначно приводит к получению некорректного результата измерения. Получение тарировочных кривых для ЗТВ невозможно в принципе.

Кроме физических выделяют механические методы. Они основаны на принципе упругой разгрузки, т.е. на законе Гука. Учет свойств конкретного материала в этих методах ведется через единственный показатель – модуль упругости, который остается практически неизменным для каждой группы материалов. Например, для сталей модуль упругости лежит в диапазоне 200-210 ГПа.

Проблема применения механических методов – нарушение целостности исследуемого изделия. Встречается разрезка на полоски, квадратики, создание линейной или кольцевой проточки. На сегодняшний день наиболее перспективным и малоразрушающим считается метод создания малого глухого отверстия [2]. Он предусматривает создание глухих отверстий диаметром 2…5 мм и глубиной, соизмеримой с радиусом отверстия. Разновидности этого метода регламентируют российский [3] и американский [4] стандарты. В [4] деформации, возникшие после создания отверстия, измеряют с помощью розетки из трех тензорезисторов. В [3] перемещения на кромке отверстия определяют бесконтактным оптическим методом лазерной интерферометрии. Для сварного шва тезорезисторы малопригодны из-за сложного рельефа поверхности и большой базы усреднения.

Метод отверстия в сочетании с методом лазерной интерферометрии имеет малую базу усреднения (соответствует диаметру отверстия) и безразличен к форме поверхности. Данная технология обеспечивает минимальные повреждения изделия и максимальную производительность (рис. 2).

Рис. 2 Получение информации о двухосном поле остаточных напряжений в кольцевом стыковом шве с помощью интерферометра «ДОН-5ЦЗ»

Можно выделить еще третью группу методов - лучевые методы. Они основаны на измерении деформации кристаллической решетки, возникающей при наличии остаточных напряжений. Методы обладают достаточной достоверностью, но имеют несколько недостатков. Для рентгеновского метода – это малая глубина, на которой производят измерение напряженного состояния (до 20 мкм) и сложность в определении макронапряжений. Для метода нейтронной дифракции – невозможность выполнения работ в полевых условиях и длительность процедуры измерения.

Таким образом, на сегодняшний день не существует метода, который бы позволил достоверно измерить остаточные напряжения в сварной конструкции, не разрушая ее. Решение этой проблемы видится в разработке комплексной методики, включающей несколько методов. Такая методика должна основываться на преимуществах выбранных методов, и максимально снизить влияние недостатков каждого из них.

Для получения достоверной информации об остаточных напряжениях в сварной конструкции, в том числе в области сварного шва, предлагается применить несколько методов, основанных на разных физических принципах. Каждый метод планируется к применению только для исследования напряженного состояния на определенной области изделия.

Область сварного шва, ЗТВ и прилегающую часть основного металла рекомендуется обследовать механическим методом лазерной интерферометрии с созданием зондирующих отверстий диаметром до 5 мм. А для основного металла рекомендуются неразрушающие физические методы. Среди физических методов рекомендуем обратить внимание на магнитные методы, например на метод шумов Баркгаузена (рис. 3), магнитоанизотропный метод (рис.4), позволяющие получать картограммы распределения поверхностных напряжений, коэффициента механических напряжений и разности главных механических напряжений.

Рис. 3 Магнитошумовой прибор для измерения механических напряжений «Интроскан»

Рис. 4 Сканер механических напряжений "STRESSVISION ANTISTRESS", основанный на методе магнитной анизотропии

Для указанных выше физических методов не требуется зачистка или специальная подготовка сканируемой поверхности. Видеть распределение напряжений на отсканированной площади металлической конструкции важно для понимания общего напряженного состояния конструкции. Особенно эффективно предварительное знание напряженного состояния, при проведении технологических работ по снижению уровня остаточных механических напряжений.

В предложенной комплексной методике для физических методов предусмотрена новая область их применения – поиск областей на шве и ЗТВ, где уровень напряжений максимальный. Наличие такой информации позволяет снизить объем повреждения поверхности при применении механического метода лазерной интерферометрии за счет уменьшения количества засверленных глухих зондирующих отверстий.

Комплексная методика предполагает следующую последовательность выполнения измерений плоского напряженного состояния:

1. Построение полей остаточных напряжений на основном металле неразрушающим физическим методом. С помощью соответствующих тарировочных кривых получаем информацию о полях напряжений в мегапаскалях, единицах измерения напряженного состояния.
2. Физическим методом обнаруживаем зоны с высоким уровнем напряжений в шве и ЗТВ. Работы проводятся без тарировки. Полученная информация об областях с пиковым значением напряжений носит качественный характер.
3. Получение количественной информации о двухосном напряженном состоянии в шве и ЗТВ по результатам проведения работ механическим методом лазерной интерферометрии. Выбор точек на поверхности, где планируется выполнить зондирующие отверстия, определяется, в том числе, и результатами, полученным при выполнении п.2 данной методики.
4. Для некоторых выбранных точек при работе механическим методом определяем знак главных напряжений.
5. Механическим методом в нескольких точках поверхности на прилегающем к шву основном металле, где уже была получена информация в соответствии с п.1 инструкции, измеряем величину изнак двух компонент плоского напряженного состояния.
6. Совмещаем результаты, полученные в п.п. 1 и 6 и строим эпюры распределения двух компонент напряженного состояния в шве, ЗТВ и прилегающем основном металле.

Комплексная методика была испытана при проведении работ по оценке эффективности ультразвуковой ударной обработки (УУО) (рис.5) [5]. Результаты измерений полей остаточных напряжений показали, что УУО (рис.6) в ряде случаев является приемлемой альтернативой высокому отпуску.

Рис. 5 Снижение остаточных напряжений после ремонта дефектной области на магистральном трубопроводе технологический комплексом ультразвуковой ударной обработки «Шмель»

Рис. 6 Результаты применения ультразвуковой ударной обработки для снижения уровня остаточных напряжений в ремонтной наплавке на поверхности трубы магистрального трубопровода

Еще один способ снижения – низкочастотная вибрационная обработка. Проведенный в рамках оценки эффективности комплексной методики оценки уровня остаточных напряжений эксперимент по применению этого способа показал возможность достижения нулевого уровня остаточных напряжений в стыковых швах трубной плети (рис.7) [6].

Рис. 7 Установка низкочастотной обработки ВТУ-01МП.2 и интерферометр «ДОН-5ЦЗ», примененные при снижении напряженного состояния в сварных швах трубной плети

Результаты применения виброобработки на резонансных частотах приведены в таблице 1.

Таблица 1. Снижение напряженного состояния в результате виброобработки на резонансных частотах

Таким образом, показано, что параллельное применение нескольких различных методов оценки напряженного состояния позволяет получать достоверную информацию. Подтверждена правильность выбора механического метода измерения остаточных напряжений в сварном шве – метода лазерной интерферометрии. Испытаны в полевых условиях методы шумов Баркгаузена и магнитной анизотропии.

Литература:

1. Gary S. Schajer, Philip S. Whitehead Hole Drilling and Ring Coring // Practical residual stress measurement methods / Edited by Gary S. West Sussex. United Kingdom : John Wiley & Sons Ltd, 2013. P. 29-64.
2. Макаров Г.И., Антонов А.А. Применение метода лазерной интерферометрии для оценки уровня остаточных сварочных напряжений в сварных магистральных трубопроводах // Сварочное производство. 2018. №1. С.38-42.
3. ГОСТ Р 52891-2007 Контроль остаточных технологических напряжений методом лазерной интерферометрии. Общие требования. М.: Стандартинформ, 2009. 12 с.
4. E837-13a Standard Test Method for Determining Residual Stresses by the Hole-Drilling Strain-Gage Method //American Society for Testing and Materials, 2013. 19 p.
5. Антонов А.А., Летуновский. А.П. Снижение остаточных сварочных напряжений методом ультразвуковой ударной обработки // Трубопроводный транспорт (теория и практика). 2012. №2(30). С.21-26.
6. Летуновский А.П., Антонов А.А., Стеклов О.И. Снятие технологических остаточных напряжений в металлоконструкциях низкочастотной виброобработкой // Заготовительные производства в машиностроении. 2012. №8. С.12-16.