О проблеме измерения характеристик напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов сложных технических объектов. Энергетическая концепция диагностики напряженно-деформированного состояния (НДС) материалов

РАЗРАБОТАНЫ в лаборатории прочности газопроводных конструкций ВНИИГАЗа к.т.н. В.В.Харионовским, к.т.н. В.И.Дегтяревым, зав. группой С.А.Стрельцовым, инж. В.В.Сараевым, ст. инж. В.В.Калявиным. Оформление материалов выполнено лаборантом Борисовой О.И.

СОГЛАСОВАНЫ

Заместителем Начальника Управления по транспортировке и поставкам газа МИНГАЗПРОМА СССР А.Н.Козаченко

Заместителем директора д.т.н., профессором Э.М.Гутманом

Руководителем лаборатории прочности газопроводных конструкций, к.т.н. В.В.Харионовским

УТВЕРЖДЕНЫ Начальником Технического Управления Мингазпрома СССР А.Д.Седых 27 июня 1984 г.


Методические рекомендации по натурным измерениям напряженного состояния магистральных газопроводов разработаны в развитие рекомендаций, выполненных ВНИИГАЗом в 1983 г. и включают в себя описания методов измерения на газопроводах, измерительных схем и типов тензорезисторов, расчетов напряженного состояния. Составлены методики, отражающие особенности измерений и расчетов напряжений в трубопроводах КС и линейной части магистральных газопроводов, в том числе, в условиях Крайнего Севера, а также методики измерения вибрационных деформаций.

1. ВВЕДЕНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ

Развитие газовой промышленности на основе мощных магистральных газопроводов и эксплуатация их в районах со сложными природными условиями поставили на повестку дня вопросы контроля и оценки прочности и работоспособности газопроводных конструкций. При этом теоретические расчеты прочности магистральных газопроводов, закладываемые в проекты, являются ориентировочными, т.к. в принципе не могут учесть всех эксплуатационных факторов. С учетом того, что при строительстве неизбежны различные отклонения от проекта, реальный газопровод может иметь совсем другое напряженное состояние. Указанные соображения приводят к необходимости изучения действительного напряженного состояния газопроводов методами натурных измерений.

При натурных исследованиях напряженно-деформированного состояния положительно зарекомендовал себя метод тензометрирования, который применяется в авиации, машиностроении, строительстве, когда затруднительно вычислить напряжения и деформации в нагруженной конструкции или детали /1-3/.

Применительно к газопроводам метод тензометрирования имеет свои особенности, в первую очередь, это относится к условиям измерений. Если в вышеупомянутых отраслях тензометрирование применяется, как правило, в условиях стабильных температур, нормальной влажности, силового нагружения, то натурные условия газопровода включают в себя весь комплекс природных факторов-воздействий грунта, температур, осадков, а также переменного давления газа. Очевидно, напряженное состояние газопроводной конструкции будет сложным. Отсюда понятно, почему являются неудачными отдельные попытки измерить напряженное состояние трубопроводов магнитными, рентгеновскими, ультразвуковыми методами, которые оценивают, в основном, одноосное напряженное состояние деталей в лабораторных условиях и в принципе не могут отразить истинную картину напряжений.

Свободным от указанных недостатков является метод тензометрирования, который требует тщательной установки тензорезисторов на трубе. При выполнении этого требования тензометрирование является надежным долговременным инструментом получения информации о деформациях и напряжениях газопровода в эксплуатации.

Данные методические рекомендации служат для практического использования метода тензометрирования в натурных условиях эксплуатации трубопроводов компрессорных станций и линейных участков магистральных газопроводов и последующей оценки прочности обследуемых объектов. Они отражают особенности измерений на магистральных газопроводах и обобщают опыт натурных прочностных исследований, выполняемых в газовой промышленности начиная с 1977 года, в различных климатических и эксплуатационных условиях /4-6/.

Методические рекомендации предназначены для специализированных объединений отрасли, газотранспортных объединений, а также для научно-исследовательских организаций отрасли.

2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ

Опытным путем можно измерить только линейные деформации, то есть измерять удлинения или укорочения выбранного отрезка прямой, расположенного на поверхности трубы. Такой отрезок прямой называется фиксированной длиной; величина этого отрезка определяется базой прибора. Измерение удлинений (или укорочений) фиксированной длины (или базы) при помощи приборов в пределах упругих деформаций называется тензометрированием.

Тензометрирование может быть осуществлено оптическими, механическими и электрическими приборами, которые, в конечном счете, регистрируют (непосредственно или косвенно) величину изменения фиксированной длины (базы) и называются тензометрами. Измерив тензометрами относительные удлинения и зная значения модуля упругости и коэффициента Пуассона , можно определить величины и направления напряжений в интересующих точках трубы надземного трубопровода; в этом и заключается сущность тензометрирования.

Большое распространение получили приборы, позволяющие электрическими методами измерять неэлектрические величины (относительное удлинение и т.д.), используя в качестве измерительных преобразователей тензорезисторы (тензометры сопротивления или тензосопротивления).

Сущность электрического метода заключается в использовании линейной зависимости величины изменения омического сопротивления тензорезистора от величины его удлинения; сам же тензорезистор наклеивается на исследуемую трубу или в определенное место в агрегате и деформируется вместе с ней.

Преимуществами этого метода измерения деформаций являются:

а) возможность измерения деформаций на расстоянии, а следовательно, и возможность организовать централизованную в одном пункте регистрацию показаний тензорезисторов, расположенных в различных точках исследуемого объекта;

б) определение деформаций трубы при ее транспортировке;

в) измерение деформаций в одной точке по нескольким направлениям;

г) достаточно большая точность измерений.

Обычно для измерения величины изменения омического сопротивления тензорезистора используют мостик Уитстона; существуют различные методы измерения , основанные на применении мостика.

3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

3.1. Измеритель статических деформаций типа ИСД-3.

Одним из приборов, созданных на основе мостика Уитстона, является измеритель статических деформаций ИСД-3.

Технические данные прибора ИСД-3

1. Класс точности
2. Диапазон измеряемых деформаций в относительных единицах деформации
где - относительная деформация
3. Длина симметричного кабеля "датчик-прибор" с погонной емкостью до 150 пф/м не более
4. Цена деления шкалы реохорда при коэффициенте тензочувствительности тензорезисторов, равном 2,0 е.д.
5. Сопротивление применяемых тензорезисторов
6. Число точек измерения
7. Диапазон рабочих температур
8. Допустимая относительная влажность воздуха при температуре +20±2 °С
10. Масса прибора, кг	не более 3

Этот прибор предназначен для многоточечных и одиночных измерений статических деформаций в сооружениях и узлах машин в лабораториях, цеховых и полевых условиях. В приборе используется уравновешенная мостовая схема с измерением нулевым методом. На рис.1 представлена принципиальная схема прибора, поясняющая его работу.

Рис.1. Принципиальная схема прибора ИСД-3

Рис.1. Принципиальная схема прибора ИСД-3

Прибор состоит из компенсационного тензорезистора , рабочего тензорезистора , реохорда , двух сопротивлений и , соединенных по мостовой схеме. В диагональ ВД моста включен через усилитель нульорган, а в диагональ AC - питание. Подвижной контакт делит омическое сопротивление реохорда на части и .

Схема работает следующим образом. Если при ненагруженном состоянии исследуемого объекта подвижной контакт разделит сопротивление реохорда на равные части если , то стрелка нульоргана будет стоять на нуле (баланс мостика), то .

Если исследуемый объект деформируется, то омическое сопротивление тензорезистора изменяется, и стрелка нульоргана отклоняется от нулевого положения.

Вращая в ту или иную сторону ручку подвижного контакта , добиваемся возвращения на нуль стрелки нульоргана (что нарушит равенство между и ). Отсчитанная по лимбу - круговой шкале подвижного контакта - разность показаний, равная , дает возможность определить искомую величину относительной линейной деформации по формуле

Где - цена одного деления шкалы лимба.

Следуeт отметить, что для исключения влияния температуры на изменение омического сопротивления рабочего тензорезистора в схему вводится компенсационный тензорезистор с сопротивлением . Этот тензорезистор наклеивается на ненагруженную пластинку, изготовленную из того же материала, что и испытываемый объект и находящуюся в тех же температурных условиях. Этот способ измерения относительного удлинения не зависит от величины напряжения электрического тока в питательной цепи, кроме того, такая схема исключает влияние начального сопротивления тензорезисторов на результаты измерений.

Измеритель статических деформаций ИСД-3 является переносным прибором, смонтированным в металлическом корпусе, снабженном ручкой для переноски.

На лицевой панели прибора размещены:

а) два разъема типа РШТПБ-20 для подключения рабочих и компенсационных тензорезисторов при многоточечных измерениях;

б) клеммы , , , , 0 - для подключения рабочих и компенсационных тензорезисторов;

в) микроамперметр (нульоргана);

г) ручка переключателя тензорезисторов;

д) ручка и шкала реохорда;

е) тумблер "контроль" - "работа";

ж) тумблер "ВКЛ"-"ВЫКЛ" для включения и выключения прибора.

Батарея питания (типа 3336) помещается в нижней части корпуса в специальном отсеке и закрывается крышкой.

Измерение деформаций производится следующим образом:

а) тензорезисторы подключаются к клеммам прибора (рис.2);

б) нижний тумблер устанавливается в положение "ВКЛ", а верхний - в положение "работа";

в) вpaщeнием ручки реохорда проводится балансировка моста;

г) производится отсчет по шкале реохорда (большая стрелка указывает единицы, а малая - сотни делений);

д) нагружается исследуемая конструкция и после балансировки прибора вновь производится отсчет.

Рис.2. Схема соединения тензорезисторов

Рис.2. Схема соединения тензорезисторов

Относительная деформация, как было сказано выше, пропорциональна изменению сопротивления тензорезисторов при погружении* конструкции, т.е.
________________
* Текст соответствует оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных.

где - коэффициент тензочувствительности тензорезисторов;

Абсолютное приращение длины исследуемого участка конструкции;

- начальная длина участка.

Коэффициент тензочувствительности предполагается постоянным.

Величина деформации (при коэффициенте тензочувствительности тензорезисторов К-2) определяется как разность отсчетов до и после нагружения, умноженная на цену деления реохорда, т.е. справедлива формула:

Здесь о.е.д.

Для пояснения работы с прибором приведем пример.

Показания реохорда до нагружения (при балансе моста) 500 делений, после нагружения - 560 делений.

Разность отсчетов (абсолютная величина)

Делений.

Следовательно, относительная деформация

При коэффициенте тензочувствительности тензорезисторов, отличном oт 2 (2).

Где * - разность отсчетов при =2.
_______________
* Формула и экспликация к ней соответствуют оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных.

Измерив деформации в исследуемых точках трубы, можно рассчитать величины напряжений.

3.2. Измеритель деформации цифровой ИДЦ-1

Назначение.

Измеритель деформации цифровой ИДЦ-1 (в дальнейшем - прибор) предназначен для измерения статических деформаций при помощи тензорезисторов, включаемых по полумостовой схеме. Прибор может быть применен в любой отрасли науки и техники, где необходимо проведение испытаний на механическую прочность различных материалов, машин, конструкций и т.п.

Условия эксплуатации прибора:

а) температура окружающего воздуха от минус 10 °С до плюс 40 °С;

б) относительная влажность воздуха от 30 до 80%.

в) питание прибора от источника постоянного тока напряжением

Технические данные

Диапазон измеряемых деформаций при коэффициенте тензочувствительности =2, еод от 0 до 19990 (1 еод = 10 относительной деформации )

Цена одной единицы дискретности показаний прибора, еод
Основная погрешность измерений, не более, еод
Время одного измерения, не более, с
Сопротивление применяемых тензорезисторов, Ом
Длина кабеля от прибора до исследуемого объекта
не более, м
Габаритные размеры, мм, длина
Число каналов измерения
Масса прибора, не более, кг
Ток потребления, не более, мА

По защищенности от воздействия окружающей среды исполнение прибора обыкновенное по ГОСТ 12997-76 *.
______________
* На территории Российской Федерации действует ГОСТ 12997-84 . - Примечание изготовителя базы данных.

Состав прибора.

Измеритель деформации цифровой ИДЦ-1 состоит (рис.3) из блока выпуска E1, блока усилителя А, блоков распределения импульсов Е2...Е5, блока коммутации К, блока индикации Д.

Рис.3. Структурная схема измерителя цифрового ИДЦ-1

Рис.3. Структурная схема измерителя цифрового ИДЦ-1

В блок запуска входят: устройство запуска и временной задержки, электронное реле времени, первая ступень распределителя импульсов, коммутатор электропитания.

Блоки распределителя импульсов Е2...Е5 идентичны и являются составной частью устройства автоматического уравновешивания. Каждый из блоков состоит из распределителя импульсов, усилителей мощности, ячеек И.

В блок усилителя входит трансформатор T1, усилитель напряжения, фазочувствительный детектор, исполнительный усилитель нульоргана, генератор питания измерительного моста.

Блок индикации состоит из преобразователя для питания индикаторных ламп, компенсирующих резисторов типа СЭС Ш и типа СЭС-10П, реле, обеспечивающих преобразование двоично-десятичной информации в блоке автоматического уравновешивания в десятичную информацию.

В блок коммутации входят переключатель тензорезисторов и внутренний полумост.

Общие указания.

Работу прибора начинайте только после тщательного изучения всех пунктов инструкции.

При изучении прибора произведите внешний осмотр и убедитесь в отсутствии механических повреждений. Проверьте комплектность прибора согласно формуляру.

Прибор может эксплуатироваться в лабораторных и стендовых условиях, а также на открытом воздухе при окружающей температуре от минус 10 до плюс 40 °С и влажности воздуха от 30 до 80%.

Погрешность прибора при его эксплуатации в зонах магнитного и электрического полей и в зоне радиоактивности заводом не гарантируется.

В случае пребывания прибора при температуре ниже минус 10 °С его эксплуатация при плюсовых температурах допустима только после 2-3 ч пребывания при температуре эксплуатации.

Порядок работы

Измерение производите путем кратковременного нажатия кнопки "ПУСК". Отсчет показаний визуальный по цифровому табло. Начальное показание принимается за условный нуль измерения.

Величина деформации при коэффициенте тензочувствительности тензорезистора =2 определяется по формуле:

Где - начальное измерение;

Измерение при нагруженном объекте.

При коэффициенте тензочувствительности тензорезисторов , то

Где - истинная относительная деформация;

- относительная деформация, измеренная прибором;

- коэффициент тензочувствительности.

Для уменьшения влияния активного сопротивления линии (проводов, соединяющих прибор с внешними тензорезисторами), рекомендуется применять линии по возможности малой длины и сечением каждого провода не менее 0,75 мм.

При работе с линиями длиной более 10 м необходимо в показания прибора вводить поправочный коэффициент, зависящий от величины активного сопротивления соединительной линии или производить тарировку применяемых тензорезисторов совместно с соединительной линией.

Измерение параметров, регулирование и настройка.

Прибор не требует перед измерениями предварительной настройки и регулирования. Необходимо периодически производить проверку основной погрешности.

3.3. Измеритель статических деформаций ИД-62М

Прибор ИД-62М на транзисторах с питанием от батареи карманного фонаря предназначается для измерения статических деформаций и медленно изменяющегося процесса с частотой измерения не более 1/2 периода в секунду.

Прибор оформлен в переносном исполнении в виде одной упаковки. Применяемые проволочные датчики могут иметь сопротивление 50-500 Ом и коэффициент чувствительности 1,8-2,2. Большое удобство при эксплуатации представляет использование датчиков сопротивлением в 120 Ом и коэффициентом чувствительности 2,0, т.к. при выпуске приборы имеют типовую тарировку применительно к датчикам этих номиналов. При использовании датчиков других номиналов следует производить дополнительную тарировку.

Прибор работает с двумя датчиками или группами по 9 активных и компенсационных или вторых рабочих с поочередным включением их через штепсельный разъем и переключатель.

Протарированные исправные приборы в течение весьма длительного времени сохраняют свои тарировочные данные.

В приборе имеется устройство, позволяющее производить проверку работоспособности прибора, тарировки и корректировку нулевых показаний, что делает его особенно ценным при проведении долговременных испытаний.

Краткие технические характеристики прибора ИД-62М

а) Диапазон измерений. Предел измерений охватывает упругую и пластическую зоны деформаций металлических конструкций и складывается из 10 диапазонов по 1000 мк/м и реохорда 2000 мк/м, что в сумме составляет около 12000 мк/м или 1,2%.

б) Градуировка. Шкала реохорда проградуирована в микронах/метр от 0 до 2000. Риски нанесены через 10 единиц.

в) Разрешающая способность. Разрешающей способностью прибора следует считать 0,5 делений, что соответствует 5 мк/м. Для стали с модулем упругости кг/см деформаций соответствует напряжению 10,5 кг/см.

г) Корректировка нулевых отчетов и чувствительности. Для повышения точности измерения в приборе предусмотрена возможность корректировки дрейфа и проверки постоянства градуировки реохорда.

д) Предел регулировки коэффициента чувствительности. Предел регулировки обеспечивает использование тензометров с коэффициентом чувствительности от 1,8 до 2,2.

е) Питание прибора. Прибор питается от двух батарей карманного фонаря 3,7 В, потребляемый ток около 5 мА.

ж) Габариты 260х200х145.

з) Вес прибора 4,6 кг.

Проведение измерений с прибором ИД-62М.

Проведение экспериментальных работ с прибором включает в себя:

а) подготовку датчиков и установку их в местах измерений;

б) тарировку прибора ИД;

в) снятие показаний и обработку результатов.

Подготовка и установка датчиков для измерений были рассмотрены в разделе "Тензометры".

Снятие показаний и проведение тарировки включает в себя большинство одинаковых операций, в связи с чем ниже дается порядок выполнения последовательных операций по снятию показаний, а далее приводятся правила выполнения тарировки.

Порядок выполнения операции:

а) подать питание и прогреть прибор в течение 15 мин;

б) проверить работоспособность прибора, для чего переключатель П установить в положение эталон нуля "ЭТ 0" и сбалансировать прибор переключателями П, П и реохордом - "Настройка", записать показания;

в) переключатель П поставить в положение "Тарировка" ("ТАР") при этом дается разбаланс моста в 0,1 Ом.

На шкале реохорда должна быть разница, равная 417 делений применительно к типовой тарировке (=120 Ом, =2).

4. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

При измерении деформаций и напряжений трубы действующего газопровода, а также деформаций и напряжений трубы при ее перевозке, наиболее целесообразно применять в качестве измерительных преобразователей тензорезиоторы (называемые также тензометрами сопротивления или тензосопротивлениями).

Использование тензорезисторов для этих целей обуславливается их малыми размерами, небольшой массой, возможностью дистанционного измерения статических и динамических деформаций и т.д.

Физическое явление, на котором основано действие тензорезисторов, состоит в свойстве материалов изменять свое электрическое сопротивление под воздействием приложенной к ним растягивающей или сжимающей силы.

В настоящее время в практике измерений используют проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы.

4.1. Проволочные тензорезисторы

В наиболее простом случае проволочные тензорезисторы представляют собой отрезок проволоки, концы которой (или весь отрезок) жестко закрепляются с помощью клея или цемента на упругодеформируемой детали.

Сжатие или растяжение детали вызывает пропорциональное сжатие или растяжение проволоки, в результате чего изменяются ее длина, поперечное сечение и удельное электрическое сопротивление, что приводит, в конечном счете, к изменению электрического сопротивления проволоки. Так, если в исходном состоянии электрическое сопротивление проволоки:

Где - удельное электрическое сопротивление материала;

- начальная длина деформируемого участка;

- площадь сечения проволоки,

то при растяжении проволоки ее сопротивление изменится на величину и составит .

Относительное изменение сопротивления тензорезистора определяется соотношением

Где - изменение длины;

- изменение удельного электрического сопротивления;

Если процедура оплаты на сайте платежной системы не была завершена, денежные
средства с вашего счета списаны НЕ будут и подтверждения оплаты мы не получим.
В этом случае вы можете повторить покупку документа с помощью кнопки справа.

Произошла ошибка

Платеж не был завершен из-за технической ошибки, денежные средства с вашего счета
списаны не были. Попробуйте подождать несколько минут и повторить платеж еще раз.

При исследовании способности изделий выдерживать различные механические нагрузки проводят как измерения самих нагрузок (сил, моментов), так и измерения деформаций, которые испытывает конструкция изделия или ее отдельные элементы. Область измерений, предметом которой является исследование деформаций, называется тензометрией (от латинского tensus– напряженный).

Одним из наиболее распространенных методов измерения деформаций является метод хрупких покрытий. Тензочувствительное покрытие наносится на поверхность исследуемого объекта. В результате воздействия некоторых усилий объект подвергается деформациям, а на покрытии появляются мелкие трещины. Анализируя места концентрации трещин и их плотность можно восстановить значения деформации в каждой точке объекта. В этом случае пользуются зависимостью между плотностью трещин и величиной деформации, которая снимается с помощью тарировочной балки – сужающегося к одному конце стержня, толстый конец которого жестко закреплен, а к тонкому концу которого прикладывается усилие. На тарировочной балке нанесено то же покрытие, что и на объекте, а величина деформации в каждой точке может быть однозначно определена теоретически по перемещению тонкого конца. Недостатком данного метода измерения деформаций является то, что он применим только для анализа статических деформаций и максимального значения динамических деформаций.

Менее распространен другой метод измерения статических деформаций – метод муаровых сеток, который заключается в нанесении на поверхность объекта мелкой сетки и последующем его фотографировании в нормальном и в деформированном состояниях. При совмещении этих двух фотографических изображений в местах деформаций визуально наблюдается муар – последовательность темных и светлых полос.

Для того, чтобы измерять не только статические, но и динамические деформации, прибегают к использованию информационно-измерительных тензометрических систем, осуществляющих электрические измерения. В качестве первичного преобразователя в таких системах выступает тензорезистор – резистор, меняющий свое сопротивление при деформации.

Ранее уже упоминалось о полупроводниковых (кремниевых) тензорезисторах. Другим типом преобразователей являются проволочные тензорезисторы, представляющие собой размещенную на специальной подложке проволоку (см. рис.3.1). Тензорезистор состоит из тонкой проволоки диаметром 0.015 – 0.05 мм, уложенной в форме решетки между двумя эластичными изоляционными пластинами из тонкой бумаги, или пленками лака. В настоящее время также используется тензорезистор из травленой фольги толщиной 0,005-0,025 мм. Фольговый тензорезистор обеспечивает большую площадь поверхности резистора, и, как следствие, его большую теплоотдачу. Поэтому, повышается допустимая плотность тока, и увеличивается чувствительность тензорезистора.

Так как изменение тензорезистора невелико, то используется мостовая схема включения тензорезисторов с использованием переменного тока. Одна из главных трудностей применения тензорезисторов состоит в их сильной температурной зависимости (близкой по порядку с зависимостью от деформации). Для компенсации этого, в соседнее плечо моста включается идентичный тензорезистор, расположенный рядом с рабочим, но не испытывающий деформации. Подложка закрепляется на исследуемом объекте (приклеивается или приваривается), и при его деформациях происходит изменение длины (растяжение или сжатие) проволоки, что приводит к изменению ее электрического сопротивления. При установке тензорезисторы ориентируют в направлении максимальных деформаций, а если такое направление не известно, то применяют розетку из трех тензорезисторов, установленных под углом 120 0 . П

Рис. 3. 1. Проволочный тензорезистор

одключаются терморезисторы, по мостовой схеме, простейший вариант которой изображен на рис. 3.2. Компенсационный резисторR К , идентичный измерительному, служит для исключения температурной погрешности, связанной с изменением сопротивления тензорезистораR Т при изменении температуры. С помощью подстроечного резистораR 1 добиваются баланса моста (нулевой выходной сигнал) при отсутствии деформаций. В этом случае выходной сигнал тензометрического моста будет определяться выражением:

Рис. 3. 2. Мостовая схема включения

3.1

Всвязи с определенными трудностями, связанными с построением усилителя постоянного тока для очень слабых сигналов, питание моста часто осуществляется от источника переменного напряжения. В этом случае величина деформации оценивается по амплитуде выходного сигнала (3.1), а ее тип (растяжение или сжатие тензорезистора вдоль базы) - по фазе выходного сигнала. В случае, когда сопротивление тензорезистора увеличивается по сравнению с номиналом, фаза выходного сигнала будет противоположна фазе напряжения питания (положительной полуволне напряжения питания соответствует отрицательная полуволна выходного сигнала).

С

Рис. 3. 3. Схема тензометрического усилителя

хема усилителя, предназначенного для работы с тензорезисторным мостом, питающимся от источника переменного напряжения, показана на рисунке 3.3. Переменное выходное напряжение с тензорезисторного мостаR T поступает на нормирующий усилительНУ , образованный трансформаторным усилителем и усилителем переменного тока. После прохождения масштабирующего усилителяМУ сигнальное напряжение поступает на вход фазового детектораФД , на выходе которого появляется постоянное напряжение, соответствующее амплитуде входного сигнала. Знак выходного напряжения определяется соотношением фаз измеряемого сигнала и опорного напряжения, которое совпадает по фазе с напряжением питания.

На выходе этой усилительной схемы стоят фильтр низких частот ФНЧ для подавления помех и дополнительный усилитель мощностиУМ . Установка нуля усилителя осуществляется с помощью делителя на резисторахR 1 иR 2 .

В таблице 3.1 приводятся характеристики некоторых серийных усилителей, предназначенных для использования в тензометрических информационно-измерительных системах.

Таблица 3.1.

Напряжение питания	Переменное 220 В или 110 В	Переменное 220 В или 110 В	Постоянное	Постоянное
Напряжение		7 В или 14 В,	Постоянное	Постоянное
Максималь- ный выходной ток

ПО МАТЕРИАЛАМ КОНФЕРЕНЦИИ

Предлагаем вниманию читателей окончание подборки статей по материалам 9-го Международного Симпозиума по измерительным технологиям и интеллектуальным приборам, проходившего летом 2009 г. в Санкт-Петербурге (начало подборки см. журнал «Измерительная техника» № 3, 2010 г.)

Использование измерений скорости ультразвука для определения напряженно-деформированного состояния металлических изделий

Л. Б. ЗУЕВ, Б. С. СЕМУХИН, А. Г. ЛУНЕВ

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск,

Россия, e-mail: [email protected]

Исследовано изменение скорости рэлеевских волн в деформируемых материалах. Описан прибор для точного измерения скорости распространения ультразвуковых колебаний. Показана возможность применения метода измерения их скорости для контроля качества циркониевых заготовок, используемых при холодной прокатке оболочек тепловыделяющих элементов ядерных реакторов.

Ключевые слова: ультразвуковые колебания, неразрушающий контроль, напряженно-деформированное состояние, контроль качества.

The investigations of ultrasound propagation velocity variation in deformable materials were carried out in order to determine the correlation between this velocity and the mechanical characteristics of deformable material. A detailed description of instrument for ultrasound propagation velocity accurate measurement is presented. Using Zr base alloys as an example, it is shown that the method can be used for quality control of zirconium billets, from which the nuclear reactor fuel cladding is fabricated by cold rolling.

Key words: ultrasound, nondestructive control, stress-strained state, quality control.

Ранее было установлено , что скорость распространения ультразвуковой волны в деформируемом растяжением образце зависит от общей деформации, напряжения течения и структуры исследуемого материала. Аналогичные результаты были получены для малых пластических деформаций . При исследованиях привлекла внимание форма зависимости скорости ультразвуковых колебаний (УЗК) от напряжения течения (рис. 1). Зависимость состоит из трех линейных участков, каждый из которых можно описать уравнением вида

^ = ^ + %о, (1)

где v0, % - эмпирические величины, имеющие различные значения для разных стадий пластического течения. Коэффициент % может принимать любой знак, но пропорциональность зависимости ^$(о) всегда сохраняется в пределах одного участка с коэффициентом корреляции около 0,9.

Ниже показана возможность использования уравнения (1) для определения механических свойств материалов нераз-

рушающим методом. Для этого были получены зависимости ^(о) для широкого круга металлов и сплавов (таблица).

Изменение скорости рэлеевских волн регистрировалось методом автоциркуляции импульсов непосредственно в процессе растяжения плоских образцов. Полученные зависимости ^(о) имеют одинаковый вид для всех исследованных материалов. Используя безразмерные величины скорости и напряжения и аппроксимируя выделяемые стадии линейными функциями, получаем обобщенную зависимость

/ = р,- + а, о / ов, (2)

где - скорость рэлеевских волн в ненагруженном образце, м/с; р,-, а, - эмпирические величины, не зависящие от материала; / = 1, 2 - номер линейного участка на рис. 1; ов - предел прочности исследуемого материала, МПа.

Рассчитанные значения р,-, а, для участков 1 и 2 составили Р1 = 1,0 ± 2 ■ 10-4, р2 = 1,03 ± 10-3, а1 = 6,5 ■ 10-3 ± 4,7 ■ 10-4, а2 = 3,65 ■ 10-2 ± 3,2 ■ 10-3.

Рис. 1. Зависимость скорости ультразвука от действующих напряжений в образце латуни

Из (2) следует

<зв = щ о//vS -Р/). (3)

Уравнение (3) можно использовать для оценки предела прочности при малых пластических деформациях задолго до разрушения образца. Таким образом, чтобы определить ов, достаточно измерить скорость УЗК при напряжениях в образце в пределах о02 < о < 0,6ов (где о02 - предел текучести), т. е. на участке малых пластических деформаций.

По уравнению (3) предел прочности при деформации порядка 1 % (о ~ 0,1 ов) был рассчитан для большинства материалов, приведенных в таблице. Полученные ультразвуковым способом значения сравнивали со значениями ов, найденными традиционно из диаграмм растяжения до разрыва (рис. 2). Значения и ов оказались равны с коэффициентом корреляции Я = 0,96.

Это означает, что предлагаемый метод можно использовать для оценки предела прочности материалов задолго до их разрушения. Природа полученного соотношения скорости и напряжений, возможно, заключается в том, что, с одной стороны, упрочнение материала связано с полями внутренних напряжений, которые тормозят движение дислокаций . С другой стороны, с увеличением внутренних напряжений скорость УЗК уменьшается . Таким образом, обе эти величины оказываются зависимыми от одного параметра, что в результате определяет связь между скоростью УЗК и механическими характеристиками материала.

Для использования ультразвукового метода в лабораторных и полевых условиях были разработаны два прибора: ANDA (акустический прибор для неразрушающего анализа состояния материалов в лабораторных условиях) и ASTR (прибор для определения остаточных напряжений металлоконструкций в полевых условиях). Принцип измерения скорости распространения рэлеевских волн, примененный в приборах, основан на методе автоциркуляции импульсов . Погрешность измерения составляет 3 ■ 10-5, работа с прибором не требует от оператора специальных знаний.

Суть метода автоциркуляции состоит в создании замкнутого контура для прохождения импульса. Под действием короткого электрического импульса излучающий пьезопреоб-разователь формирует акустическую волну в образце. Прошедшая от передающего к приемному пьезопреобразова-телю волна преобразуется обратно в электрический сигнал и вновь поступает в излучающий преобразователь. Таким образом, при неизменном расстоянии между преобразователями частота появления импульса в определенной точке цепи будет зависеть от времени прохождения акустического сигнала в образце и задержки в схеме прибора. Поскольку задержка в схеме пренебрежимо мала по сравнению с временем распространения акустической волны в образце, частота автоциркуляции будет характеризовать скорость распространения УЗК в образце. В данном случае поверхностные волны Рэлея имеют частоту 2,5 МГц.

Химический состав исследованных сплавов

Номер Материал Символ C N Si Mg Mn Li Cr Cu Ni Zn Pb Zr Ti Sn Nb

1 Сталь 0,12 - 0,8 - 2,0 - 17,0-19,0 0,3 9,0-11,0 - - - 0,5-0,8 - -

2 То же ■ < 0,12 0,008 0,5-0,8 - 1,3-1,7 - < 0,3 < 0,3 < 0,3 - - - - - -

3 » ▲ < 0,12 0,008 0,8-1,1 - 0,5-0,8 - 0,6-0,9 0,4-0,6 0,5-0,8 - - - - - -

4 » ♦ 0,14-0,22 - 0,12-0,3 - 0,4-0,65 - < 0,3 < 0,3 < 0,3 - - - - - -

5 Дюралюминий ® - - < 0,5 1,5 - - - 4,35 < 0,1 < 0,3

6 Al-Mg + - - 0,25 5,8-6,2 0,1-0,25 1,8-2,2 - - - - - 0,1 - - -

7 Al-Li X - - 0,15 - - 1,8-2,0 - 2,8-3,2 - - - 0,12 0,12 - -

8 Латунь - - < 0,1 - - - - - - 38,0-41,0 0,8-1,9 - - - -

9 Zr--Nb * - - - - - - - - - - - 99,0 - - 1,0

10 Zr-Nb - - - - - - - - - - - 97,5 - 1,0 1,0

600500-400^ 300^

200200 300 400 500 600

Рис. 2. Корреляция между пределами прочности, определенным ультразвуковым методом и пределом прочности, полученным по диаграмме растяжения образца (обозначения см. в таблице)

Ультразвуковой датчик, устанавливаемый на объект исследования, имеет два наклонных пьезопреобразователя, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга, называемом базой. Наклон пьезопреобразователей выбирают таким образом, чтобы формировать в объекте исследования поверхностную волну Рэлея. Для надежного измерения скорости необходимо обеспечить контакт с металлом контролируемого изделия зачисткой последнего от краски, грязи и окислов, поверхность должна быть ровной, датчик должен быть прижат к месту контроля. Акустический контакт с пьезопреобразователем обеспечивается жидкой неагрессивной смазкой, например, трансформаторным маслом. При этом следует помнить, что пространство между пьезопреобразователями должно оставаться сухим и чистым.

Одним из применений рассматриваемого ультразвукового метода является оценка напряженного состояния в циркониевых заготовках, используемых для производства оболочек тепловыделяющих элементов ядерных реакторов. В процессе холодной прокатки трубок из сплава Zr-Nb в заготовке формируется сложное распределение внутренних остаточных макронапряжений, которые могут привести к разрушению заготовки на одной из стадий обработки. Для оптимизации процесса прокатки требуется учитывать уровень и распределение остаточных напряжений в рабочих заготов-

а, МПа 1000"

Рис. 3. Распределение внутренних напряжений в Zr-заготовке круглого сечения

ках. Использование традиционных методов, таких как рентгеновский , для определения внутренних напряжений на заготовках большой протяженности связано со значительными временными затратами и фактически невозможно в условиях поточного производства.

Для рабочих заготовок было проведено исследование по определению внутренних напряжений с помощью ультразвукового прибора ASTR. В деформируемых в широких пределах напряжений образцах Zr-Nb-сплава 9 (см. таблицу) были выполнены измерения с целью установления зависимости скорости УЗК от напряжений. Наиболее важные результаты были получены для рабочих заготовок, в которых внутренние напряжения менялись в широком диапазоне. Предполагается расширить применение неразрушающих методов для определения остаточных напряжений в тонкостенных циркониевых трубках, производимых холодной прокаткой . Это позволит усовершенствовать существующую технологию их изготовления. Исследование выполняли как на трубках, так и заготовках из сплавов 9 и 10 на основе Zr.

Ресурс работы материалов и конструкций в большинстве случаев зависит от однородности структуры материала и напряженно-деформированного состояния конечного изделия выполненного из этого материала. На заготовках были измерены остаточные напряжения как рентгеновским методом, так и ультразвуковым, результаты полученных измерений были сопоставлены.

Обнаружено, что м

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст . Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут . Стоимость одной статьи — 150 рублей .

Пoхожие научные работыпо теме «Метрология»

• OPTICAL EMISSION CHARACTERIZATION OF LASER ABLATED ZIRCONIUM PLASMA

  HANIF M., SALIK M. - 2015 г.

• NON-DESTRUCTIVE EVALUATION OF THE YIELD STRESS FOR LOW CARBON STEEL BY ULTRASOUND MEASUREMENTS

  KAVARDZHIKOV V., PASHKOULEVA D., POPOV AL. - 2013 г.

• ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ДЕРЕВОПЛИТЫ УЛЬТРАЗВУКОВЫМИ И СТАТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УПРУГОЙ АНИЗОТРОПИИ

  АББАСИ МАРАШТ А., КАДЖЕМИ НАДЖАФИ С., ЭБРАХИМИ Г. - 2004 г.

• THERMOGRAPHIC, ULTRASONIC AND OPTICAL METHODS: A NEW DIMENSION IN VENEERED WOOD DIAGNOSTICS

  AVDELIDISB N.P., KOUI M., SFARRAA S., THEODORAKEASB P. - 2013 г.