RU2141648C1 - Process evaluating safety margin of loaded material - Google Patents

Process evaluating safety margin of loaded material Download PDF

Info

Publication number
RU2141648C1
RU2141648C1 RU96103504A RU96103504A RU2141648C1 RU 2141648 C1 RU2141648 C1 RU 2141648C1 RU 96103504 A RU96103504 A RU 96103504A RU 96103504 A RU96103504 A RU 96103504A RU 2141648 C1 RU2141648 C1 RU 2141648C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pulses
loaded material
measured
loaded
safety margin
Prior art date
Application number
RU96103504A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU96103504A (en
Inventor
В.А. Петров
Original Assignee
Петров Валентин Алексеевич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Петров Валентин Алексеевич filed Critical Петров Валентин Алексеевич
Priority to RU96103504A priority Critical patent/RU2141648C1/en
Publication of RU96103504A publication Critical patent/RU96103504A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2141648C1 publication Critical patent/RU2141648C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: nondestructive methods of analysis of materials by determination of their physical properties, specifically, ultimate strength. SUBSTANCE: invention can find use to detect flaws in material,. to evaluate residual resource and life of pressure vessels, pipe-lines and other parts and structures. It is also possible to employ this process for prediction of rock bursts and earthquakes. In correspondence with invention temperature dependence of ultimate strength of samples of material is determined and extrapolated linearly. In this case number of pulses of acoustic emission to break of sample is counted. Average time interval between such pulses in loaded material under its current temperature is measured as well as space of region of registration of pulses in this material. Safety margin of material is found by obtained information with use of proposed mathematical formula. EFFECT: expanded range of tested materials which safety margin can be determined by methods of nondestructive test. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области анализа материалов путем определения их физических свойств, точнее к диагностике напряженного состояния нагруженных материалов, в частности к определению уровня действующих механических напряжений по отношению к разрушающему напряжению (пределу прочности), и может найти применение для выявления в материале дефектов, для оценки долговечности и остаточного ресурса сосудов давления, трубопроводов, в том числе эксплуатируемых в коррозионной среде, деталей машин из всевозможных материалов, при прогнозировании горных ударов и землетрясений. The invention relates to the field of analysis of materials by determining their physical properties, more specifically to diagnosing the stress state of loaded materials, in particular to determining the level of existing mechanical stresses in relation to the breaking stress (tensile strength), and can be used to detect defects in the material, to assess durability and residual life of pressure vessels, pipelines, including those operated in a corrosive environment, machine parts from all kinds of materials, when forecasted mountain shock and earthquake.

Известен способ [1], в котором при непрерывном растяжении образца измеряют временное сопротивление σв (предел прочности), а в выражении для запаса прочности
s = σв/σ
действующее напряжение σ определяется путем преобразования деформации (перемещения) в электрический сигнал. Преобразователи (датчики) могут быть различными (механические, оптические и др.). Наиболее распространены электротензодатчики, использующие зависимость величины электрического сопротивления от длины проводника. Датчик приклеен к элементу объекта и деформируется вместе с ним. При этом в месте крепления датчика определяются напряжения, усредненные по его длине (порядка 10 мм). В этом способе напряжения измеряются локально только в месте крепления датчика на поверхности объекта, что не позволяет обследовать объект в целом (всю его поверхность, поверхность под изоляцией, материал внутри стенок).The known method [1], in which with continuous tension of the sample measure the temporary resistance σ in (tensile strength), and in the expression for the safety factor
s = σ in / σ
the effective stress σ is determined by converting the deformation (displacement) into an electrical signal. Converters (sensors) can be different (mechanical, optical, etc.). The most common are electrical load cells using the dependence of the value of electrical resistance on the length of the conductor. The sensor is glued to the element of the object and is deformed along with it. At the same time, stresses averaged over its length (about 10 mm) are determined at the sensor mounting location. In this method, the voltages are measured locally only in the place of mounting the sensor on the surface of the object, which does not allow to examine the object as a whole (its entire surface, the surface under insulation, the material inside the walls).

За прототип взят способ [2], включающий измерение предела прочности на образцах материала, внешнее силовое (взрывное) воздействие на объект, регистрацию реакции объекта в форме импульсов акустической эмиссии (АЭ) и измерение ее интенсивности, в котором запас прочности нагруженного материала (в частном случае массива горных пород) определяется отношением значений логарифма интенсивности АЭ в начальный и конечный моменты времени. Поскольку зона приема датчика АЭ порядка нескольких кубических метров, метод АЭ в отличие от тензометрии нелокален и позволяет обследовать объект в целом. Однако необходимость использования взрывного воздействия на объект и ограничение по материалу (горные породы) ограничивает возможность применения способа-прототипа. The method [2] is taken as a prototype, including measuring the tensile strength on samples of the material, external force (explosive) impact on the object, recording the reaction of the object in the form of acoustic emission pulses (AE) and measuring its intensity, in which the safety factor of the loaded material (in particular case of rock mass) is determined by the ratio of the values of the logarithm of the AE intensity at the initial and final points in time. Since the reception area of the AE sensor is of the order of several cubic meters, the AE method, unlike tensometry, is non-local and allows the object to be examined as a whole. However, the need to use explosive effects on the object and the restriction on the material (rocks) limits the possibility of using the prototype method.

Задачами изобретения являются возможность определения запаса прочности нагруженного материала без силового воздействия и расширение круга исследуемых материалов при определении запаса прочности нагруженного материала. The objectives of the invention are the ability to determine the margin of safety of the loaded material without force and expanding the range of materials under study when determining the margin of safety of the loaded material.

Это достигается тем, что в известном способе определения запаса прочности нагруженного материала, по которому измеряют предел прочности образцов исследуемого материала и регистрируют импульсы АЭ в исследуемом нагруженном материале, согласно формуле изобретения, предел прочности образцов измеряют при различных температурах, строят график температурной зависимости предела прочности и путем его линейной экстраполяции до пересечения с осью абсцисс находят абсолютную температуру T*, соответствующую точке пересечения, измеряют объем Vo области одного образца, из которой регистрируют импульсы АЭ, измеряют суммарный счет N* до разрушения образца, а в нагруженном материале измеряют среднее значение временного интервала

Figure 00000002
(в секундах) между импульсами АЭ и запас прочности определяют из соотношения
Figure 00000003

где T - абсолютная температура нагруженного материала, V - объем области регистрации АЭ импульсов в нагруженном материале.This is achieved by the fact that in the known method for determining the margin of safety of a loaded material, by which the tensile strength of the samples of the material under study is measured and AE pulses are recorded in the studied loaded material, according to the claims, the tensile strength of the samples is measured at various temperatures, a graph of the temperature dependence of the tensile strength and by linear extrapolation to the intersection with the abscissa axis, the absolute temperature T * corresponding to the intersection point is found, the volume Vo о domain of one sample, from which the recorded AE pulses measured total score N * to destruction of the sample, and the loaded material is measured mean value of the time interval
Figure 00000002
(in seconds) between pulses AE and margin of safety is determined from the ratio
Figure 00000003

where T is the absolute temperature of the loaded material, V is the volume of the region of registration of AE pulses in the loaded material.

Сущность способа
Формулы Журкова кинетической теории разрушения, экспериментально подтвержденные для полимеров, кристаллов, металлов, сталей, композитов, горных пород и т. д. [3], приводят к следующей зависимости долговечности τ нагруженного материала от его запаса прочности s
lg (, c) = [1 - (1/s)] 13 [(T/T*) - 1],
где T - абсолютная температура материала, T* - температура, при которой линейно убывающий с температурой предел прочности становится равным нулю.The essence of the method
Zhurkov’s formulas of the kinetic theory of fracture, experimentally confirmed for polymers, crystals, metals, steels, composites, rocks, etc. [3], lead to the following dependence of the durability τ of the loaded material on its safety factor s
log (, c) = [1 - (1 / s)] 13 [(T / T *) - 1],
where T is the absolute temperature of the material, T * is the temperature at which the tensile strength linearly decreasing with temperature becomes zero.

Теоретически и экспериментально для всевозможных материалов и видов напряженного состояния установлено [4], что разрушение лимитируется накоплением критической концентрации трещин C* с характерной скоростью их накопления

Figure 00000004
так что
Figure 00000005

В настоящее время практически наиболее целесообразным способом регистрации процесса трещинообразования в материале нагруженных (промышленных) объектов является метод АЭ, в котором величина
Figure 00000006
пропорциональна скорости счета АЭ
Figure 00000007
отнесенной к объему области V, в которой регистрируются импульсы АЭ. Коэффициент пропорциональности между ними зависит от характеристик используемой для регистраций АЭ аппаратуры и размера трещин. При неизменном способе измерений
Figure 00000008
где N* - суммарное число импульсов АЭ, зарегистрированное при разрушении одного образца объемом Vo. Скорость счета АЭ обратно пропорциональна среднему значению временного интервала между импульсами
Figure 00000009
Комбинация приведенных выражений приводит к формуле для определения запаса прочности
Figure 00000010

Автору впервые удалось выявить для нагруженного материала связь между величиной скорости счета и напряжением в материале и установить их количественное соотношение, приведенное в определении запаса прочности в формуле изобретения. При этом обнаружена способность нагруженного материала, находящегося в метастабильном стационарном состоянии, излучать упругие волны при сбросе метастабильности.It has been established theoretically and experimentally for all kinds of materials and types of stress state [4] that failure is limited by the accumulation of critical concentration of cracks C * with a characteristic rate of their accumulation
Figure 00000004
so that
Figure 00000005

Currently, the most appropriate way to register the process of cracking in the material of loaded (industrial) objects is the AE method, in which
Figure 00000006
proportional to AE count rate
Figure 00000007
referred to the volume of the region V in which AE pulses are recorded. The proportionality coefficient between them depends on the characteristics of the equipment used for registration of the AE and the size of the cracks. With the same measurement method
Figure 00000008
where N * is the total number of AE pulses recorded during the destruction of one sample of volume Vo. AE counting rate is inversely proportional to the average value of the time interval between pulses
Figure 00000009
The combination of the above expressions leads to a formula for determining the safety factor
Figure 00000010

For the first time, the author was able to identify the relationship between the value of the counting rate and the voltage in the material for the loaded material and establish their quantitative ratio given in the definition of safety factor in the claims. At the same time, the ability of a loaded material in a metastable stationary state to emit elastic waves when the metastability is reset is found.

Предлагаемый способ позволяет определять запас прочности нагруженного материала без дополнительного силового воздействия. Способ применим для всех материалов, для которых применим метод АЭ регистрации трещинообразования. The proposed method allows to determine the margin of safety of the loaded material without additional force. The method is applicable to all materials for which the AE method for detecting crack formation is applicable.

Способ осуществляют следующим образом. Измеряют предел прочности образцов (не менее трех) при различных температурах и строят зависимость его величины от температуры, экстраполируют эту зависимость до пересечения с осью температур и определяют температуру T* в точке пересечения. В одном из образцов измеряют величину Vo - объем области, из которой регистрируют сигналы АЭ, и измеряют суммарный счет N* АЭ до разрушения образца. В нагруженном материале измеряют среднее значение

Figure 00000011
(в секундах) интервала времени между импульсами АЭ и объем V области регистрации АЭ, а затем рассчитывают запас прочности из соотношения, приведенного в формуле изобретения.The method is as follows. Measure the tensile strength of the samples (at least three) at different temperatures and build the dependence of its value on temperature, extrapolate this dependence to the intersection with the temperature axis and determine the temperature T * at the intersection point. In one of the samples, the value of Vo is measured — the volume of the region from which AE signals are recorded, and the total score N * AE is measured until the sample is destroyed. The average value is measured in the loaded material.
Figure 00000011
(in seconds) the time interval between AE pulses and the volume V of the AE detection region, and then the safety factor is calculated from the ratio given in the claims.

Пример. Изучалась возможность определения запаса прочности в цилиндрическом сосуде давления, нагруженном внутренним давлением. Сосуд изготовлен из углеродистой стали 20. Example. The possibility of determining the safety factor in a cylindrical pressure vessel loaded with internal pressure was studied. The vessel is made of carbon steel 20.

Температурная зависимость предела прочности образцов стали 20 приведена на фиг. 1. Как видно, экспериментальные точки ложатся на прямую, экстраполяция которой до пересечения с осью абсцисс дает величину T* = 1410 K. The temperature dependence of the tensile strength of steel samples 20 is shown in FIG. 1. As you can see, the experimental points lie on a straight line, extrapolation of which to the intersection with the abscissa axis gives the value T * = 1410 K.

Акустическая эмиссия регистрировалась с помощью прибора АФ-15. На образцах с рабочей частью в форме цилиндра высотой 5 мм и диаметром 2 мм к моменту разрушения зарегистрировано всего N* = 3000 импульсов АЭ. Acoustic emission was recorded using an AF-15 device. On samples with a cylinder-shaped working part with a height of 5 mm and a diameter of 2 mm, only N * = 3000 AE pulses were recorded at the time of failure.

В нагруженном материале - трубе с длиной рабочей части 5 мм, внешним диаметром 22 мм, толщиной стенки 1 мм, изготовленной из стали 20 и нагружаемой внутренним давлением P при комнатной температуре, регистрация АЭ осуществлялась при тех же условиях, что и на образцах. Измерялись средние значения временного интервала

Figure 00000012
между последовательными импульсами АЭ. Экспериментально установлено, что
Figure 00000013
= 55 мин, 10 мин, 9 с при P = 320 ат, 335 ат, 350 ат соответственно. Рассчитанные на основе приведенных значений параметров по формуле изобретения величины запаса прочности приведены на фиг. 2 (точки).In a loaded material — a pipe with a working part length of 5 mm, an external diameter of 22 mm, a wall thickness of 1 mm, made of steel 20 and loaded with internal pressure P at room temperature, AE was recorded under the same conditions as on the samples. The average values of the time interval were measured
Figure 00000012
between successive pulses of AE. It has been experimentally established that
Figure 00000013
= 55 min, 10 min, 9 s at P = 320 at, 335 at, 350 at, respectively. The values of the safety factor calculated on the basis of the parameter values according to the claims are shown in FIG. 2 (dots).

Для сравнения на фиг.2 силовая зависимость запаса прочности рассчитана для нагруженной трубы по котельной формуле [5] (линия). For comparison, in Fig.2, the force dependence of the margin of safety is calculated for a loaded pipe according to the boiler formula [5] (line).

Как видно, имеется хорошее согласие. Apparently, there is good agreement.

Область применения предлагаемого способа не ограничена характером материала, видом его нагружения. Дополнительного силового воздействия на материал не требуется. Способ можно применять как при наличии дефектов-концентраторов напряжения (конструктивных, технологических - в сварных швах и др., возникающих в процессе эксплуатации - при коррозии, структурном старении), так и отсутствии дефектов для оценки деградации материала в температурно-силовом поле. The scope of the proposed method is not limited by the nature of the material, the type of loading. Additional force on the material is not required. The method can be applied both in the presence of defects-concentrators of stress (structural, technological - in welds, etc., arising in the process of operation - during corrosion, structural aging), and in the absence of defects to assess the degradation of the material in the temperature-force field.

Литература
1. Сухарев И.П. Экспериментальные методы исследования деформаций и прочности. М., Машиностроение, 1967, с. 27, 88.Literature
1. Sukharev I.P. Experimental methods for the study of deformation and strength. M., Mechanical Engineering, 1967, p. 27, 88.

2. Носов В. В., Масолов Н.Г., Носов С.В. Способ определения напряженного состояния участка массива горных пород. RU 2042813 C1; 27.08.95. 2. Nosov V.V., Masolov N.G., Nosov S.V. A method for determining the stress state of a section of a rock massif. RU 2042813 C1; 08/27/95.

3. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М., Наука, 1974, 560 с. 3. Regel V.R., Slutsker A.I., Tomashevsky E.E. The kinetic nature of the strength of solids. M., Science, 1974, 560 p.

4. Петров В.А., Башкарев А.Я., Веттегрень В.И. Физические основы прогнозирования долговечности конструкционных материалов. СПб. Политехника, 1993, 475 с. 4. Petrov V.A., Bashkarev A.Ya., Vettegren V.I. Physical basis for predicting the durability of structural materials. SPb. Polytechnic, 1993, 475 p.

5. Федосеев В. И. Сопротивление материалов. М., Высшая школа, 1963, с. 126. 5. Fedoseev V. I. Resistance of materials. M., Higher School, 1963, p. 126.

Claims (1)

Способ определения запаса прочности нагруженного материала, по которому измеряют предел прочности образцов исследуемого материала, регистрируют импульсы акустической эмиссии (АЭ) в исследуемом нагруженном материале, отличающийся тем, что предел прочности образцов измеряют при различных температурах, строят график температурной зависимости предела прочности и путем его линейной экстраполяции до пересечения с осью абсцисс находят абсолютную температуру T*, соответствующую точке пересечения, измеряют объем Vо области одного образца, из которой регистрируют импульсы АЭ, измеряют суммарный счет АЭ N* до разрушения образца, а в нагруженном материале измеряют среднее значение временного интервала
Figure 00000014
(в секундах) между импульсами АЭ, и запас прочности определяют из соотношения:
Figure 00000015

где T - абсолютная температура нагруженного материала; V - объем области регистрации АЭ в нагруженном материале.A method for determining the margin of safety of a loaded material, by which the tensile strength of samples of a test material is measured, acoustic emission pulses (AE) are recorded in the studied loaded material, characterized in that the tensile strength of the samples is measured at different temperatures, a graph of the temperature dependence of the tensile strength and linear extrapolating to the intersection with the abscissa axis, find the absolute temperature T * corresponding to the intersection point, measure the volume V about the region of one sample, and from which AE pulses are recorded, the total AE count N * is measured until the sample is destroyed, and the average value of the time interval is measured in the loaded material
Figure 00000014
(in seconds) between pulses of AE, and safety factor is determined from the ratio:
Figure 00000015

where T is the absolute temperature of the loaded material; V is the volume of the AE detection region in the loaded material.
RU96103504A 1996-02-22 1996-02-22 Process evaluating safety margin of loaded material RU2141648C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU96103504A RU2141648C1 (en) 1996-02-22 1996-02-22 Process evaluating safety margin of loaded material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU96103504A RU2141648C1 (en) 1996-02-22 1996-02-22 Process evaluating safety margin of loaded material

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU96103504A RU96103504A (en) 1998-04-20
RU2141648C1 true RU2141648C1 (en) 1999-11-20

Family

ID=20177273

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU96103504A RU2141648C1 (en) 1996-02-22 1996-02-22 Process evaluating safety margin of loaded material

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2141648C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9086348B2 (en) 2010-04-06 2015-07-21 Varel Europe S.A.S. Downhole acoustic emission formation sampling
US9249059B2 (en) 2012-04-05 2016-02-02 Varel International Ind., L.P. High temperature high heating rate treatment of PDC cutters
RU2577080C2 (en) * 2010-04-06 2016-03-10 Варель Ероп С.А.С. Testing of strength based on acoustic emission for pdc, pcbn or other hard or superhard materials
US9297731B2 (en) 2010-04-06 2016-03-29 Varel Europe S.A.S Acoustic emission toughness testing for PDC, PCBN, or other hard or superhard material inserts

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9086348B2 (en) 2010-04-06 2015-07-21 Varel Europe S.A.S. Downhole acoustic emission formation sampling
RU2577080C2 (en) * 2010-04-06 2016-03-10 Варель Ероп С.А.С. Testing of strength based on acoustic emission for pdc, pcbn or other hard or superhard materials
US9297731B2 (en) 2010-04-06 2016-03-29 Varel Europe S.A.S Acoustic emission toughness testing for PDC, PCBN, or other hard or superhard material inserts
US9249059B2 (en) 2012-04-05 2016-02-02 Varel International Ind., L.P. High temperature high heating rate treatment of PDC cutters

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5970434A (en) Method for determining average wall thickness for pipes and tubes using guided waves
Sharma et al. Longitudinal guided waves for monitoring chloride corrosion in reinforcing bars in concrete
Anton et al. Reference-free damage detection using instantaneous baseline measurements
Song et al. Corrosion monitoring of reinforced concrete structures–a review
Sharma et al. Ultrasonic guided waves for monitoring corrosion in submerged plates
US3946600A (en) Acoustic emission method for detection and monitoring of corrosion
US5714688A (en) EMAT measurement of ductile cast iron nodularity
CN109596709B (en) Detection method of fixed pressure container
Ramesh et al. Health Monitoring of Structures by Using Non-Destructive Testing Methods
RU2141648C1 (en) Process evaluating safety margin of loaded material
Zhou et al. A feasibility study on monitoring of weld fatigue crack growth based on coda wave interferometry (CWI)
Jones et al. Evaluation of stress corrosion crack initiation using acoustic emission
RU2536779C1 (en) Method of determination of rate of corrosion of metal buildings and device for its implementation
Spyrakos et al. Evaluating structural deterioration using dynamic response characterization
RU2613624C1 (en) Method for nondestructive ultrasonic inspection of water conduits of hydraulic engineering facilities
Duke et al. Characterization of composite materials by means of the ultrasonic stress wave factor
RU2210766C1 (en) Procedure to conduct acoustic emission test with use of single-channel equipment
US10690586B2 (en) Rapid detection and quantification of surface and bulk corrosion and erosion in metals and non-metallic materials with integrated monitoring system
RU2654154C2 (en) Method of determining the residual life of the pipelines
Panetta et al. Mechanical damage characterization in pipelines
RU2803019C1 (en) Method of ultrasonic damage control of materials under various types of mechanical destruction
RU2194967C2 (en) Procedure determining residual service life of pipe-line
Hurley et al. A condition monitor for atmospheric induced stress corrosion cracking
RU2761382C1 (en) Method for determining speed and type of corrosion
RU2167421C2 (en) Method determining safety assurance factor of loaded material