CH714900B1

CH714900B1 - Measurement of residual stress and residual stress relief through acoustic vibration.

Info

Publication number: CH714900B1
Application number: CH00445/18A
Authority: CH
Inventors: Chen Jie-Wei; Illi Richard
Original assignee: Crossnet Consulting Ag
Priority date: 2018-04-08
Filing date: 2018-04-08
Publication date: 2021-01-15
Also published as: CH714900A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Restspannungsentlastung, wobei mittels mechanischer Spannungsdetektion Spannungszonen flächendeckend detektiert und das Ausmass der Spannung jeweils bestimmt wird. Die Spannungszone wird nachfolgend mittels entsprechend lokaler akustischer Vibrationen entspannt, worauf die entlasteten Spannungszonen erneut mittels der mechanischen Spannungsdetektion überprüft werden.The invention relates to a method for relieving residual stress, whereby stress zones are detected over a large area by means of mechanical stress detection and the extent of the stress is determined in each case. The tension zone is subsequently relaxed by means of corresponding local acoustic vibrations, whereupon the relieved tension zones are checked again by means of the mechanical tension detection.

Description

Hintergrund und ZusammenfassungBackground and abstract

[0001] In der heutigen Industrie gibt es ein langanhaltendes und kostspieliges Problem der mechanischen Restspannung in Metallobjekten und -strukturen. Diese „unsichtbaren“ mechanischen Restspannungen können oft die Ursache für kritische und katastrophale Ermüdungsbrüche sein. Es gibt Methoden zur Erkennung dieser mechanischen Residualspannungen, die die Situationen zu Ort und Ausmaß der mechanischen Restspannungen liefern. Kunden und Anlagenbesitzer nutzen diese Informationen zurzeit ausschließlich für die Sicherheitsbeurteilung oder eventuelle Reparatur- und Wartungsmassnahmen ohne präventiven Gedanken. Die Entfernung von mechanischen Restspannungen ist ebenfalls möglich, nämlich durch die akustische Vibration. Aber diese beiden Methoden werden zurzeit getrennt verwendet. Heute gibt es keine präventive Lösung für das Ermüdungsversagen, das durch die Anwesenheit der unerwünschten mechanischen Restspannung verursacht wird. In today's industry there is a long-standing and costly problem of residual mechanical stress in metal objects and structures. These “invisible” mechanical residual stresses can often be the cause of critical and catastrophic fatigue fractures. There are methods for recognizing these mechanical residual stresses, which supply the situations regarding the location and extent of the mechanical residual stresses. Customers and system owners are currently only using this information for safety assessments or possible repair and maintenance measures without any preventive thoughts. The removal of mechanical residual stresses is also possible, namely by means of acoustic vibration. But these two methods are currently used separately. Today there is no preventive solution to the fatigue failure caused by the presence of the unwanted residual mechanical stress.

[0002] Material-Ermüdungsprobleme werden durch die dynamische und thermische Belastung während der Anwendungs- und Herstellungsprozesse verursacht und sind häufig die Ursache für Risse und Korrosion. Darüber hinaus besteht der allgemeine Bedarf der heutigen Industrie, das Gewicht der Komponenten zu reduzieren, um Kosten zu sparen, oder ihre Belastungsfähigkeit (Gewicht, Druck, Temperatur) zu erhöhen, um eine höhere Leistung zu ermöglichen. Diese neue Anforderung vermehrt auch immer das Auftreten von solchen Ermüdungsfällen aufgrund der unvermeidbaren mechanischen Restspannung, sodass die Erwartung auf eine vollständige, effektive und präventive Technologie durch die Kombination von Stressdetektions- und Stressentfernungsverfahren erhöht wird. Material fatigue problems are caused by the dynamic and thermal loads during the application and manufacturing processes and are often the cause of cracks and corrosion. In addition, there is a general need in today's industry to reduce the weight of the components in order to save costs, or to increase their loading capacity (weight, pressure, temperature) in order to enable higher performance. This new requirement also increases the occurrence of such cases of fatigue due to the inevitable residual mechanical stress, so that the expectation for a complete, effective and preventive technology by the combination of stress detection and stress removal methods is increased.

[0003] Die wichtigsten Branchen, in denen katastrophale Ausfälle auftreten, sind Energie, Öl und Gas, Offshore, Luft- und Raumfahrt, Eisenbahn und Zivilstrukturen. Bei Auftreten von Fehlschlägen können dann oft verheerende Todesfälle, lange Stillstands-Zeiten und extreme Gesamtkosten verursacht werden. In der Luft- und Raumfahrtindustrie führte eine teilweise Verzerrung (und ein mögliches Versagen) aufgrund inhärenter Eigenspannungen zu wiederholten Gefahrensituationen, Nacharbeiten und möglicherweise Schrott im Wert von mehreren Millionen Euro in der Entwicklungs- und Fertigungslebenszyklusphase. Bei einer Hochgeschwindigkeitsstrecke wurden viele tödliche Ereignisse auf das Vorhandensein von mechanischen Restspannungen in Rad- und Achsenteilen zurückgeführt. Öl- und Gasrohrleitungen und Konstruktionen sind aufgrund der langanhaltenden Eigenspannungen, die durch die Belastung sowie durch anfängliche Form- und Schweißvorgänge verursacht werden, störungsanfällig. Schweißverbindungen auf Offshore-Bohrinseln sind auch ständigen Belastungen durch raue Seeverhältnisse ausgesetzt. Gleiches gilt für Schiffe wie Floating-Produktion-Storage und Offloading-Schiffe (FPSO), die zusätzlich den Beanspruchungen der zyklischen Belastung, insbesondere in ermüdungsgefährdeten Bereichen, ausgesetzt sind. Wenn Schweißnähte das Ende ihrer bekannten Lebensdauer erreichen, stehen die Kunden vor der Herausforderung, ausfallende Gelenke zu reparieren und zu erhalten. Normale Reparaturen an diesen hochbelasteten Verbindungen sind oft nur vorübergehend und nicht ausreichend für einen Langzeitbetrieb. Die Kosten des Scheiterns in dieser Industrie können in Bezug auf den Verlust von Leben und auch in Bezug auf Produktionsausfälle massiv sein, die häufig im zweistelligen Millionenbereich liegen können. The major industries in which catastrophic failures occur are power, oil and gas, offshore, aerospace, railways, and civil structures. Failures can often result in devastating deaths, long downtimes and extreme overall costs. In the aerospace industry, partial distortion (and possible failure) due to inherent residual stresses resulted in repeated hazardous situations, rework, and potentially millions of euros worth of scrap in the development and manufacturing lifecycle stages. On a high-speed line, many fatal events have been attributed to the presence of residual mechanical stresses in the wheel and axle parts. Oil and gas pipelines and structures are prone to failure due to the long-term residual stresses caused by the load and initial molding and welding processes. Welded connections on offshore drilling rigs are also exposed to constant loads from rough sea conditions. The same applies to ships such as floating production storage and offloading ships (FPSO), which are also exposed to the stresses of cyclical loads, especially in areas at risk of fatigue. When welds reach the end of their known life, customers face the challenge of repairing and maintaining failing joints. Normal repairs to these highly stressed connections are often temporary and insufficient for long-term operation. The cost of failure in this industry can be massive in terms of loss of life and also in terms of lost production, often in the tens of millions.

Erklärungen zu Bildern:Explanations of pictures:

[0004] Fig. 1: Eine perspektivische Ansicht eines Materials (oder Werkstücks) und einer Vorrichtung zur Detektion der mechanischen Restspannung, die sich über das Material (oder Werkstück) bewegt, zusammen mit Beispielen für das Ausmaß der mechanischen Restspannung in Figur 1A und einer Darstellung der Restspannungszone vor der jeweiligen Behandlung in Figur 1B. Fig. 2: Eine zweite perspektivische Ansicht des Materials (oder Werkstücks) von Fig. 1 nun mit einer akustischen Schwingungsquelle für die mechanische Restspannungsentlastung. Fig. 3: Eine dritte perspektivische Ansicht des Materials (oder Werkstücks) von Fig. 1 nun noch einmal mit der Vorrichtung zur Detektion der mechanischen Restspannung zusammen mit Beispielen für das Ausmaß der mechanischen Restspannung in Fig. 3A und einer Darstellung der Restspannungszone nach der Behandlung in Fig. 3B. Fig. 4: Ein Diagramm, das Integritätsmanagement-Programm zeigt.Fig. 1: A perspective view of a material (or workpiece) and a device for detecting the residual mechanical stress moving across the material (or workpiece), together with examples of the extent of the residual mechanical stress in Figure 1A and a Representation of the residual stress zone before the respective treatment in FIG. 1B. FIG. 2: A second perspective view of the material (or workpiece) from FIG. 1, now with an acoustic vibration source for the mechanical relief of residual stress. 3: A third perspective view of the material (or workpiece) from FIG. 1 again with the device for detecting the mechanical residual stress together with examples of the extent of the mechanical residual stress in FIG. 3A and a representation of the residual stress zone after the treatment in Figure 3B. Fig. 4: A diagram showing the integrity management program.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

[0005] Die Erfinder schlagen eine innovative Lösung zur Verhinderung von Ermüdungsversagen vor. Die Lösung basiert auf dem Erfassen des Ortes und des Ausmaßes von mechanischen Restspannungen und dem anschließenden Fokussieren des Prozesses zum Entfernen von mechanischen Restspannungen (nämlich Vibrations-Techniken) auf diese vordefinierten Bereiche, auf eine effektive Art und Weise. Nach der Entfernung von mechanischen Restspannungen wird das bearbeitete Objekt nochmals durch das Restspannungsdetektionsverfahren auf die verbleibende mechanische Restspannungen als Bestätigung durchgecheckt. Alle Daten können dann in der Asset Health Management Software gespeichert werden, so dass eine effektive Methode zur Fehlervorhersage und Prävention von Ermüdungsversagen ermöglicht wird. The inventors propose an innovative solution for preventing fatigue failure. The solution is based on detecting the location and extent of residual mechanical stresses and then focusing the process of removing residual mechanical stresses (viz. Vibration techniques) on these predefined areas in an effective manner. After the removal of mechanical residual stresses, the machined object is checked again for the remaining mechanical residual stresses as confirmation using the residual stress detection method. All data can then be stored in the asset health management software, enabling an effective method for failure prediction and fatigue failure prevention.

[0006] Die vorliegende Erfindung dient als ein Verfahren zur Vorhersage und Verhinderung eines Ermüdungsversagens wie z.B. Rissbildung sowohl bei Eisen- als auch bei Nichteisenmetallen. Die Erfindung dient als ein einzigartiges Verfahren zur Verhinderung von Materialdefekten und zur Verlängerung der Lebensdauer, insbesondere in Kombination mit einem „Integritätsmanagement-Softwaresystem“, bei dem Daten gespeichert und zur Planung von Inspektionen, mechanische Restspannungsentfernung und anderen lebensverlängernden Maßnahmen verwendet werden können. Die Methode kombiniert eine „Restspannungs-Erkennungstechnologie“ mit einer „Restspannungs-Entfernungstechnologie“. The present invention serves as a method for predicting and preventing fatigue failure such as cracking in both ferrous and non-ferrous metals. The invention serves as a unique method of preventing material defects and extending service life, particularly in combination with an "integrity management software system" in which data can be stored and used for planning inspections, mechanical residual stress removal and other life-extending measures. The method combines a “residual stress detection technology” with a “residual stress removal technology”.

[0007] Es gibt drei Verfahren, die zu einer vollständigen Methode beitragen. Zunächst wird ein Restspannungserfassungsprozess, vorzugsweise die „Metal Magnetic Memory Method“, an dem betreffenden Metallobjekt oder der Metallstruktur durchgeführt. Diese Prozedur erfasst präzise sowohl den Ort als auch das Ausmaß der mechanischen Restspannungen, die im Metall vorhanden sind. Mit diesen Informationen wird das zweite Verfahren zur Restspannungsentfernung sehr gezielt und hochwirksam angewendet. Schließlich wird das dritte Verfahren eingesetzt, das vorzugsweise mit der „Metal Magnetic Memory Method“ angewendet wird, um die verbleibenden mechanischen Restspannungen innerhalb des Objekts wieder als Bestätigung des Entfernungseffektes von mechanischer Restspannungen zu erkennen (Abbildung 3). Es ist möglich, diese Methode sowohl für Objekte in trockener Umgebung als auch für Unterwasserobjekte anzuwenden. There are three methods that contribute to a complete approach. First, a residual stress detection process, preferably the “Metal Magnetic Memory Method”, is carried out on the metal object or structure in question. This procedure precisely records both the location and the extent of residual mechanical stresses present in the metal. With this information, the second method for removing residual stress is used in a very targeted and highly effective manner. Finally, the third method is used, which is preferably used with the “Metal Magnetic Memory Method” in order to recognize the remaining mechanical residual stresses within the object again as confirmation of the removal effect of mechanical residual stresses (Figure 3). It is possible to use this method for objects in a dry environment as well as for underwater objects.

[0008] Im Vergleich zu den heutigen einfachen zerstörungsfreien Prüfverfahren und den Standardmethoden zur Entfernung von Restspannungen, gibt es mehrere wichtige Vorteile bei der Anwendung dieses einzigartigen Verfahrens. Durch die Kombination der beiden Methoden (Erkennung und Entfernung) wird den Eigentümern von Metallkonstruktionen eine einzigartige Lösung geboten. Es ist nun möglich, die Rohdaten und Informationen, die mit dieser Methode erzeugt werden, in die meisten der heute üblichen „Asset Integrity Management“ Softwaresysteme zu integrieren. Dies ermöglicht nicht nur eine viel effektivere Vorhersage der zukünftigen Fehlentwicklungen, sondern auch einen präventiven Weg, der das Entfernen der initiierenden mechanischen Eigenspannungen ermöglicht. Der Gesamtnutzen für den Anlageneigentümer ist eine stark reduzierte Schadensgefahr (oft lebensgefährlich), wobei dies oft eine erheblich verlängerte Lebensdauer bedeutet. Der Einsatz dieser Erfindung dient dazu, eine erhöhte Anlagensicherheit und oft enorme Kosteneinsparungen zu ermöglichen. Compared to today's simple non-destructive testing methods and standard methods of removing residual stresses, there are several important advantages to using this unique method. By combining the two methods (detection and removal), a unique solution is offered to owners of metal structures. It is now possible to integrate the raw data and information generated with this method into most of the “Asset Integrity Management” software systems commonly used today. This not only enables a much more effective prediction of future undesirable developments, but also a preventive way that enables the initiating mechanical residual stresses to be removed. The overall benefit for the system owner is a greatly reduced risk of damage (often life-threatening), which often means a considerably longer service life. The use of this invention serves to enable increased plant safety and often enormous cost savings.

Claims

1. A method for the targeted mechanical relaxation of a mechanical residual stress for both ferroelectric and non-ferroelectric material by combining the detection technique of the mechanical residual stress and acoustic vibration technique, the detection technique serving to localize the mechanical residual stress and to determine the extent of the mechanical residual stress, whereby the process of mechanical residual stress relief is carried out in a targeted manner by local acoustic vibration and the result of the mechanical residual stress relief is checked again by the mechanical residual stress detection technique, characterized in that the mechanical residual stress relief through the acoustic vibration is only performed after the mechanical residual stress has been localized and determined the extent of the mechanical residual stress is carried out in a targeted manner.

2. The method according to claim 1, characterized in that the material is first scanned by a movable measuring device for detecting the mechanical residual stress, preferably by the detection technique "metal magnetic memory".

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the measurement result of the mechanical residual stress is visualized on a two-dimensional level by software, the size of the mechanical residual stress zone and the extent of the mechanical residual stress are recorded.

4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that the result of a first recording of an actual situation of the mechanical residual stress for a risk assessment is stored in an integrity management program and used.

5. The method according to claim 4, characterized in that the result of the detection of mechanical residual stress is used for planning the acoustic residual stress relief, whereby it is not only to determine where the mechanical residual stress must be reduced, but also to determine how strong the acoustic vibration must be used so that the action of mechanical residual stress relief can be carried out in a targeted manner.

6. The method according to claim 5, characterized in that the mechanical residual stress is visualized after the acoustic vibration treatment and is stored together with the situation before the treatment in an integrity management program so that it can be used for further risk assessments of the material.

7. The method according to claim 6, characterized in that the entire process with respect to the treatment of the mechanical residual stress is carried out step by step exactly according to the proposals of the integrity management program.

8. The method according to claim 6, characterized in that the results from the detection of the mechanical residual stress and the relaxation of the mechanical residual stress by acoustic vibration are connected to each other via the integrity management program and the revised information for the risk assessment and for historical tracking can be used.