Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Приборы и методы контроля и определения состава веществ

Диссертационная работа:

Бахарев Михаил Самойлович. Разработка методов и средств измерения механических напряжений на основе необратимых и квазиобратимых магнитоупругих явлений : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.11.13 : Тюмень, 2004 321 c. РГБ ОД, 71:05-5/569

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 7

Методы неразрушающего контроля механических напряжений в металлоконструкциях 13

Рентгеновские методы 13

Ультразвуковые методы 14

Тепловые методы 14

Использование магнитрупругого эффекта для измерения механических напряжений 15

1. Анизотропный магнитоупругий датчик 16

2. Магнитомодуляционные измерители механических напряжений 18

3. Магнитострикционный метод измерения механических напряжений 19

4. Использование гармонического анализа сигнала для измерения механических напряжений 19

5. Эффект Баркгаузена 21

Коэрцитиметрический метод измерения механических напряжений 22

Метод тензодобавок 23

Магнитоупругая память магнетиков и ее использование для измерения силового воздействия 25

Анализ методов измерения механических напряжений и задачи исследований 37

Зависимость коэрцитивной силы малоуглеродистых сталей от величины одноосных механических напряжений 41

Образцы для исследования 41

Методика измерения коэрцитивной силы Нс 42

1. Влияние краевого эффекта на результаты измерений коэрцитивной силы Нс 43

2.2.2. Влияние предварительной намагниченности образца на результаты измерения коэрцитивной силы Нс 44

2.3. Влияние величины зазора на результаты измерения тока размагничивания ненагруженных сталей 46

2.4. Влияние упругих механических напряжений при растяжении на коэрцитивную силу малоуглеродистых сталей 48

2.5. Влияние вибраций на результаты измерений Нс 54

2.6. Точность измерения механических напряжений 55

2.7. Зависимость коэрцитивной силы Нс от величины напряжения для некоторых малоуглеродистых сталей 57

2.8. Зависимость коэрцитивной силы от механических напряжений в приведенной форме 61

2.9. Влияние растяжения и сжатия на коэрцитивную силу труб и швеллеров 67

2.10. Опробование коэрцитиметрического метода измерения механических напряжений 71

Выводы по главе 2

3. Механизмы изменения коэрцитивной силы при упругой деформации 76

3.1. Влияние локальных механических напряжений 76

3.2. Влияние перестройки доменной структуры 80

3.3. Влияние магнитострикции на магнитоупругую чувствительность коэрцитивной силы 89

3.4. О природе несимметричности зависимости Нс(ст) при растяжении и сжатии 98

3.5. Влияние магнитоупругого изменения энергии междоменных границ на зависимость Нс(а) 101

Выводы по главе 3 106

4. Влияние пластической деформации на структурночувствительные магнитные параметры 107

4.1. Влияние пластической деформации на зависимость коэрцитивной силы от величины одноосных напряжений 107

4.2. Аномальное изменение магнитострикции сталей на начальных этапах пластической деформации 113

5. Применение гармонического анализа в контроле механических напряжений 125

5.1. Зависимость ЭДС высших гармоник от величины механических напряжений 125

6. Необратимое и квазиобратимое изменение остаточной намагниченности при нагружении магнетика 139

6.1. Пьезодинамическое размагничивание образцов из высокохромистой стали 140

6.2. Логарифмическая аппроксимация пьезодинамического размагничивания образцов из высокохромистой стали 150

6.3. Пьезодинамическое размагничивание локально намагниченных участков на поверхности малоуглеродистых сталей 155

6.4. Пьезодинамическое размагничивание спеченых порошковых R-Fe соединений 161

6.5. Уточнение гиперболической формулы для описания пьезодинамического размагничивания 170

6.6. Возможности использования магнитоупругого размагничивания для неразрушающего определения предела выносливости некоторых сталей 181

6.6.1. Оценка предела выносливости стали 20Н2М по изменению магнитного поля рассеяния образца при его нагружении - разгружении 183

6.6.2. Возможности определения предела микротекучести и связанного предела выносливости по кривым магнитоупругого размагничивания 190

6.7. Пьезомагнитный эффект магнитополяризованых малоуглеродистых сталей и спечёных порошковых R-Fe соединений 195

6.7.1. Пьезомагнитный эффект закалённых и отпущенных малоуглеродистых сталей 195

6.7.2 Пьезомагнитный эффект остаточно намагниченных R-Fe соединений 211

6.7.3. Влияние внутренних напряжений, созданных пластической деформацией,на пьезомагнитный эффект 212

Вывод по главе 6 215

7. Использование необратимого и квазиобратимого магнитоупругих явлений для создания первичных преобразователей силы 217

7.1. Магнитоупругии метод контроля развития стресс-коррозионных трещин 217

7.2. Определение полей напряжений в деталях из ферромагнитных материалов с помощью локального намагничивания 224

7.3. Магнитоупругие датчики для измерения силы в режиме памяти и аналоговом режиме 231

7.4. Регулируемая опора - датчик 239

7.5. Помехозащищенный акселерометр 243

7.6. Об обнаружении скрытого ущерба при транспортных перевозках 249

7.7. Акселерометр для измерения небольших ускорений 250

7.8. Автономный запоминающий датчик для измерения давления и температуры в скважине 253

Выводы по главе 7 262

8. О некоторых механизмах формирования напряженно- деформированного состояния металлоконструкций в грунте и методы их измерений 264

8.1. Измерение деформации грунта в геодинамических зонах 264

8.2. Усиление деформации в геодинамической зоне (ГДЗ) 268

3. Влияние неоднородного вмерзания трубопровода в грунт на его напряжённо-деформированное состояние 271

4. Использование магнитных полей рассеяния магистрального газопровода(ГП) для выявления сезонной динамики механических напряжений 274

Выводы по главе 8 285

Основные результаты и выводы 285

Список использованных источников 288 

Введение к работе:

Актуальность. Элементы машин, механизмов, конструкции и трубопроводы испытывают во времени целый ряд труднопредсказуемых изменений, приводящих к варьированию их напряженного состояния вследствие изменения нагрузок, колебаний температуры в течение суток, года (лето-зима). Особенно опасны локальные колебания температуры весной, когда открытые части металлоконструкции (например, трубопроводы) интенсивно прогреваются, в то время как закрытые мерзлым грунтом части жестко закреплены. Оттаивание грунта в условиях вечной мерзлоты приводит к его непредсказуемым деформациям как вертикальным, так и горизонтальным и, соответственно, к деформациям протяженных металлоконструкций, к появлению значительных напряжений. Действия этих напряжений совместно с внутренними и рабочими напряжениями создают предпосылки для разрушения труб и возникновения аварий [1-3].Учесть эти факторы расчетными методами не всегда удается как в случае разрушения Московского аквапарка и конструкций аэропорта в Париже. Все это подчеркивает важность контроля напряженного состояния участков трубопроводов, например, в местах перехода через водные преграды, дороги, в местах образования промывов и провисания трубопровода, в местах выпучивания труб [4-5],в геодинамических зонах [6,7] и участках неодинакового промерзания грунта, обусловленного неоднородностью его теплопроводности [4],изменения ледовой и снеговой нагрузки [8].

Другим, практически не изученным фактором, который может сказаться на надежности металлоконструкций, является медленно изменяющиеся напряжения на фоне статически действующей нагрузки [9]. Хотя эти напряжения много меньше предела текучести, роль их велика в механизме возникновения усталостных трещин, а в конечном итоге в поломке элемента конструкции. Динамические напряжения, действующие на фоне статических, согласно современным представлениям, являются одним из факторов, приводящих к стресс-коррозионному разрушению металла газопроводов [10].

Разрушение детали под действием циклических нагрузок начинается с образования в зоне повышенных напряжений микротрещин, которые, постепенно развиваясь, проникают вглубь металла и ослабляют несущее сечение до уровня, при котором происходит разрушение.

Понижение прочности материала при переменных напряжениях вследствие прогрессивно развивающихся микротрещин обычно называется усталостью материала, а его способность сопротивляться усталостному разрушению - выносливостью. Известно, что магистральные трубопроводы в ряде случаев могут выйти из строя в результате лавинного (со скоростью 0,1—0,4 скорости звука в металле) распространения в них трещин при напряжениях, значительно меньше допускаемых при их статическом или циклическом нагружении (т.е. меньших, чем предел текучести металла). Таким образом, контроль напряжений необходим как одна из превентивных составляющих по борьбе с авариями.

Требует также своего изучения влияние зон пластичности, возникающих как при изготовлении, так и эксплуатации металлоконструкции и трубопроводов, на их надежность в условиях напряженного состояния, обусловленного действием суммарных сил (внешними сжимающими или растягивающими напряжениями, внутренними напряжениями).

Элементы конструкции предназначены для того, чтобы выдерживать заданную нагрузку. Эти нагрузки рассчитываются на этапе конструирования [1,3,13]. Для этого необходимо знать источники механических напряжений, иметь эквивалентный математический аппарат для вычисления. Однако оценки напряжений с помощью расчетов в ряде случаев сильно расходятся из-за неопределенностей в исходных данных, выбора методики расчета и изменяющихся в процессе эксплуатации конструкции условий [4-8,12]. Реальные условия эксплуатации металлоконструкций чрезвычайно разнообразны, и учесть их расчетами в полной мере невозможно, что доказывает разброс значений коэффициента запаса прочности в различных теориях прочностях от 1,81 до 1,34 [1].

Поэтому разработка новых методов является актуальной, позволяющей косвенно осуществлять оперативное определение напряжений приборными (в идеале дистанционно) средствами, на основании сказанного, становится понятным, почему уделяется столь большое внимание во всем мире разработке не-разрушающих методов и средств измерения напряжений [13-35].

Сложность при разработке косвенных методов измерения абсолютных значений напряжений заключается в том, что часть неизвестно исходное сог стояние металла, его механическая предыстория (наклеп, отжиг), химический состав, его кристаллографическая текстура. Задача диагностики напряжений на порядок усложняется, когда необходимо контролировать сложно-напряженное состояние.

В настоящее время разрабатываются и эксплуатируются главным образом рентгеновский, акустический и магнитные методы измерения напряжений.

Предлагаемая работа ориентирована на поиск новых информативных параметров на основе исследования закономерностей изменения магнитных свойств, на разработку новых методов и средств измерения напряжений в металле, в частности, с привлечением нескольких параметров с тем, чтобы повысить точность и надежность измерения, существенно расширить их возможности.

Направлением исследования явилось изучение метастабильных магнито-упругих явлений в остаточно-намагниченном материале, разработка на их основе методов и средств контроля механических напряжений и создание силовых преобразователей.

Научная новизна работы

1. Впервые установлена зависимость магнитоупругого изменения анизотропии коэрцитивной силы от величины константы магнитострикции. Найден способ определения эффективных констант магнитострикции по экспериментальной зависимости магнитострикции поликристаллических материалов от напряженности магнитного поля.

2. Создан новый двухпараметровый метод неразрушающего контроля (НК) одноосных напряжений на основе измерения коэрцитивной силы и константы магнитострикции в конструкциях из малоуглеродистых сталей, отличающихся по химическому составу.

3. Впервые проведены исследования магнитоупругой памяти (МУП) высокохромистой стали и композиционных RFe-материалов, уточнены аналитические выражения для ее описания.

4. Впервые исследован пьезомагнитный эффект остаточно намагниченного магнетика ПМО при приложении больших циклически повторяющихся упругих напряжений, дано объяснение механизма ПМО и установлена возможность его применения для целей определения механических напряжений и НК качества термической обработки.

5. Разработан ряд «интеллектуальных» материалов для создания чувствительных автономных элементов запоминающих датчиков пикового значения силы, давления и ускорения, способных работать в экстремальных условиях.

6. Решена задача гармонического разложения ЭДС выходного сигнала нагружаемого ферромагнитного преобразователя.

Разработан магнитный метод НК сезонных деформаций стального трубопро вода.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Аналитические выражения, описывающие связь анизотропии коэрцитивной силы с величиной одноосных напряжений и магнитострикцией малоуглеродистых сталей. Новый двухпараметровый метод НК одноосных напряжений в изделиях из малоуглеродистых сталей.

2. Методика определения эффективных констант магнитострикции по экспериментальной графической зависимости магнитострикации от величины напряженности магнитного поля.

• 3. Проверка и уточнение закономерностей изменения МУП и связь ее с основ ным магнитными параметрами у высокохромистой стали и композиционных R-Fe-материалов.

4. Объяснение механизма ПМО конструкционных сталей и композиционных R-Fe-материалов при приложении больших циклически повторяющихся упругих напряжений.

5. Разработка метода НК напряжений в металлоконструкциях с помощью соз-дания матрицы локальных областей намагниченности.

6. Гармонический анализ ЭДС выходного сигнала магнитоупругого преобразователя.

7. Конструкционные разработки автономных запоминающих датчиков пикового значения силы, давления и ускорения.

8. Разработка способа измерения сезонных деформаций грунта и стального газопровода путем отслеживания его магнитных полей рассеяния.

Практическая ценность работы

— Разработан новый двухпараметровый (по коэрцитивной силе и константе магнитострикции) метод НК одноосных напряжений, применимый для широкого класса малоуглеродистых сталей, не требующий в отличие от традиционных способов построения экспериментальной градуировочной кривой для каждой отдельной марки стали.

— Разработан новый метод определения полей механических напряжений в детали с помощью нанесения матрицы локальной намагниченности и снятия информации о величине действовавших напряжений путем сканирования ее поверхности датчиком магнитного поля (Патент РФ. №2154262).

— Разработаны и сконструированы автономные, беспроводные запоминающие датчики: трубчатый запоминающий датчик силы, работающий как в режиме • магнитоупругой памяти, так и в аналоговом режиме на основе магнитного пье зоэффекта; запоминающий акселерометр для измерения гигантских ускорений;

акселерометр-свидетель транспортных перевозок; запоминающий датчик для измерения давления и температуры в скважине; автономный запоминающий блок для измерения силы и ускорения в закрытых камерах.

— Запоминающий акселерометр был внедрен на предприятии РФЯЦ-ВНИИТФ (г.Снежинск) по методике «Выполнение измерений пиковых ускорений магни-тострикционными датчиками типа РДУС 2023» ( Патент РФ G 0IP 15/04. №2123189).

— Геодинамический тензометр был впервые применен для выявления активности геодинамических зон на Федоровском нефтяном месторождении.

— Разработан и испытан магнитный метод определения сезонных деформаций газопровода с целью определения мест его повышенной разрушаемости. Метод опробован на магистральном газопроводе Уренгой-Сургут-Челябинск.

— Разработана и внедрена в учебный процесс лабораторная установка по измерению механических напряжений в стальных образцах с помощью коэрцити-метра.

— Результаты исследований, изложенные в диссертации, используются в учебном курсе «Неразрушающие методы контроля», читаемом в Тюменском государственном нефтегазовом университете для студентов специальностей «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов» и «Технологические машины и оборудование». По данной тематике проводится защита квалификационных и дипломных работ студентов специальностей «Технологические машины и оборудование» и «Материаловедение и термическая обработка».

Апробация работы

По материалам диссертации опубликовано 36 работ, в том числе три монографии и два патента. Основные положения и результаты диссертационной работы рассмотрены на научно-технических конференциях: международной конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Гурзуф, 1997); международной научно-технической кон • ференции. «Новые материалы и технологии в машиностроении» (Тюмень, 2000); XII научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (М.:МГИМ.2000); региональной конференции «НЕФТЬ и ГАЗ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки» (г.Тюмень, 2002); международной конференции «Разрушение и мониторинг свойств металлов». (г.Екатеринбург, 2003); научно-практической конференции «Электроэнергетика и применение передовых со-временных технологий в нефтегазовой промышленности» (Тюмень, 2003).

Структура диссертации

Работа состоит из введения, восьми глав, приложения и списка литературы, включающего 253 наименования, 120 рисунков, 15 таблиц объем 318 страниц.

Подобные работы
Осипов Константин Юрьевич
Разработка методов неразрушающего контроля строительных материалов, основанных на явлении механоэлектрических преобразований
Рукавишников Илья Владимирович
Разработка средств и метода магнитных шумов для контроля остаточных напряжений в стойках шасси летательных аппаратов
Данилов Юрий Валентинович
Исследование и разработка методов и средств контроля процессов гальванической металлизации печатных плат
Резник Константин Николаевич
Разработка методов и средств улучшения метрологических характеристик радиационных толщиномеров
Завгородний Алексей Владимирович
Разработка метода и средств контроля пространственно-временного распределения оптических характеристик взвеси инфузорий для биотестирования водных сред
Филинова Анна Владимировна
Разработка метода и средств, основанных на использовании магнитных и магнитно-акустических шумов, для контроля механических напряжений в высокопрочных сталях
Чичигин Борис Анатольевич
Разработка методов и средств лазерного контроля геометрии лопаток газотурбинных двигателей
Мирсаитов Сергей Фаритович
Разработка методов и средств повышения динамической надежности и остаточного ресурса многоэлементных вихретоковых преобразователей
Швецов Александр Александрович
Разработка метода и средств контроля поверхностных полей биоэлектрических потенциалов
Сычев Сергей Николаевич
Разработка методов и средств контроля состава сложных смесей органических соединений на основе диполь-полевой теории удерживания нормальной и обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net