Диагностический комплекс «MicroLab-Z2» для неразрушающей оценки структурно-деформационных параметров металла конструкций

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

В процессе производства и эксплуатации ответственных металлических конструкций возникает необходимость оперативного контроля состояния их металла.

При изготовлении требуемые характеристики металла конструкции достигаются за счет строгого соблюдения всех технологических операций. Даже самые незначительные отступления от оптимальных режимов и технологий производства могут критическим образом сказаться на качестве изделия и даже целой партии. Как следствие, добиться стабильных и гарантированных свойств металла однотипных конструкций не удается. Находясь в пределах допустимых значений, они могут отличаться до 30—50 % и более в разных партиях [1—3]. С такой неопределенностью изделие поступает к заказчику и в ряде случаев может не обеспечить требуемую несущую способность или долговечность, нанеся в результате репутационные и финансовые потери производителю.

Эксплуатация также вносит свой вклад. Непроектные, циклические нагрузки, воздействие агрессивных сред, высоких и низких температур, появление дополнительных концентраторов напряжения могут привести к развитию негативных процессов в металле, снизив его работоспособность до критического уровня [4—6]. Как следствие, затрудняется принятие эффективных решений по ремонтно-техническому обслуживанию опасных производственных объектов, снижается достоверность прогнозирования их надежности и безопасности.

Известно, что поведение металла под действием внешних факторов определяется тремя ключевыми группами параметров его строения [7—11]:

• химических: содержание легирующих и микролегирующих элементов, вредных примесей (сера, фосфор) и т.д.;
• структурных: тип, параметры структуры, параметры неметаллических включений, ликвации хрупких фаз, микронесплошности и т.д.;
• деформационных: совокупный уровень упрочнения металла (дислокационного, твердорастворного, зернограничного и дисперстного) и его влияние на механизм и предельный уровень пластической деформации металла.

Т.е. комбинация представленных параметров оказывает определяющее влияние как на формирование механических свойств металла, так и на поведение реальной конструкции при эксплуатационных воздействиях.

В результате, получением данной информации может быть эффективно решены задачи достоверной оценки качества производимой продукции и ее фактического технического состояния в процессе эксплуатации.

До настоящего времени такой подход не находил практического развития, поскольку используемые для получения указанной информации методы и технологии должны быть оперативными и неразрушающими.

Оперативная неразрушающая оценка химического состава металла может быть выполнена с использованием разнообразных портативных оптико-эмиссионных или рентгенофлюоресцентных спектрометров, точность которых не уступает стационарному оборудованию [12].

Однако с определением двух других групп параметров (структурных и деформационных) до настоящего времени были сложности.

Целью настоящей работы являлась разработка диагностического комплекса MicroLab-Z2, позволяющего выполнять оперативную неразрушающую оценку структурно-деформационных параметров металла непосредственно на эксплуатируемой конструкции, без необходимости вывода ее из эксплуатации.

ОПИСАНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ

Общий вид диагностического комплекса MicroLab-Z2 приведен на рис. 1, а его основные технические характеристики — в табл. 1.

Рис. 1. Общий вид диагностического комплекса MicroLab-Z2.

Таблица 1

Основные технические характеристики диагностического комплекса MicroLab-Z2

Диагностический комплекс имеет два функциональных блока: блок подготовки поверхности и исследовательский блок.

Блок подготовки поверхности представляет собой шпиндель мощностью 2,2 кВт, со скоростью вращения до 18000 об/мин и автоматизированным координатным перемещением по трем осям с точностью до 1 мкм (рис. 2).

Рис. 2. Блок подготовки поверхности диагностического комплекса MicroLab-Z2.

Программа управления блоком подготовки поверхности позволяет задавать: координаты перемещения шпинделя; скорость перемещения и вращения шпинделя; алгоритм подготовки поверхности (количество проходов на одной глубине, глубину снимаемого слоя за 1 проход и общую и т.д.).

Смена шлифовального/полировального инструмента производится вручную через специальное технологическое окно в корпусе. Через него же можно наблюдать за процессом подготовки поверхности, контролировать ее качество, а также выполнять травление отполированного металла.

Для проведения высокоточных исследований поверхности ее подготовка должна обеспечивать:

• минимизацию величины механического наклепа;
• формирование плоской площадки на определенной толщине изделия;
• формирование требуемой шероховатости (Ra < 0,32 мкм).

Соблюдение данных требований достигается следующей последовательностью подготовки поверхности:

1. Шлифовка с использованием шлифовального круга 3М Сubitron II зернистостью Р60 в 3 прохода.
2. Грубая полировка с использованием войлочного круга и пасты Marpol C94 в три прохода.
3. Финишная полировка с использованием войлочного круга и пасты Marpol F62 в три прохода.

Общий вид получаемой при этом площадки на поверхности трубы Ду 830 мм представлен на рис. 3.

Рис. 3. Общий вид подготавливаемой площадки на поверхности трубы Ду 830 мм.

При необходимости выполнения исследований на определенной глубине предварительно выполняется снятие нужной толщины металла с шагом до 0,5 мм за каждый проход.

Время подготовки поверхности по указанной технологии составляет не более 15 мин.

Для оценки качества подготавливаемой поверхности по вышеуказанной технологии были проведены тестовые испытания на темплете трубы стали 17Г1С диаметром 1220 мм.

Величина вносимого наклепа оценивалась проведением сравнительных замеров микротвердости поверхности темплета, подготовленной с использованием диагностического комплекса MicroLab-Z2, и по технологии лабораторной подготовки на шлифовально-полировальном станке Struers TegraPol:

• грубая шлифовка абразивным кругом в воде;
• тонкая шлифовка шлифовальной бумагой зернистостью Р36/80/240/320 в воде;
• полировка в воде фетровым диском и алмазной суспензией с размером частиц 9/3/1 мкм.

Измерения значений микротвердости выполнялись при нагрузке в 50 гс на стационарном микротвердомере ПМТ-3М в соответствии с ГОСТ 9450—75 [13]. В обоих случаях наносилось по 30 отпечатков.

Среднее значение микротвердости на поверхности, подготовленной в лабораторных условиях, составило 167 кгс/мм², а разброс значений — от 141 до 188 кгс/мм². Среднее значение микротвердости на поверхности, подготовленной с использованием диагностического комплекса MicroLab-Z2, составило 165 кгс/мм², с разбросом — от 147 до 190 кгс/мм².

Таким образом, учитывая, что метод измерения микротвердости является чрезвычайно чувствительным к состоянию металла [14, 15], полученные результаты свидетельствуют о том, что величина наклепа, создаваемая на поверхности при шлифовке и полировке с использованием диагностического комплекса MicroLab-Z2, не превосходит величину наклепа, создаваемую при лабораторной подготовке образцов. Разница в разбросе значений микротвердости в данном случае может быть объяснена структурно-механической неоднородностью металла трубы по объему.

Контроль плоскостности поверхности выполнялся индикатором часового типа с чувствительностью в 1 мкм, установленным на станок ЧПУ с высокоточным перемещением по координатным осям. Подготовленная площадка размером 40×40 мм на вышеописанном темтлете трубы сканировалась по сетке с шагом в 5 мм.

Измерения показали, что максимальное отклонение от горизонтальной плоскости по всей длине и ширине исследованной поверхности не превышают 2 мкм, причем данная погрешность накапливается плавно, без скачков и провалов внутри анализируемой площади.

Шероховатость поверхности контролировалась цифровым измерителем шероховатости Elcometer 7060 Surftest SJ-201P. Усредненные данные 10 замеров в различных участках подготовленной площадки показали значение Ra = 0,18 мкм.

Важно отметить, что процесс подготовки поверхности с использованием диагностического комплекса MicroLab-Z2 может выполняться в любом пространственном положении и не предусматривает использования смазывающеохлаждающей жидкости (СОЖ), что делает его удобным и приспособленным к производственным и полевым условиям. А высокая точность координатного перемещения дает возможность контролировать остаточную толщину изделия и не выходить за пределы ее минусового допуска (при подготовке бездефектной зоны металла).

Исследовательский блок представляет собой платформу, на которой установлены металлографический микроскоп и портативный микротвердомер (рис. 4). Как и блок подготовки поверхности, платформа имеет программное управление и обеспечивает координатное перемещение установленных на ней устройств по трем осям с точностью до 1 мкм.

Рис. 4. Исследовательский блок.

Металлографический микроскоп имеет увеличение до ×1000 и оснащен окуляром с возможностью фото- и видеофиксации изображения.

Благодаря качеству подготовки получаемое изображение протравленной и непротравленной поверхности не уступает получаемому в стационарных условиях при изучении лабораторных металлографических шлифов (рис. 5).

Рис. 5. Изображение поверхности листа из стали 09Г2С (×200):

а, в — соответственно изображение нетравленой и травленой поверхности, полученное на микроскопе диагностического комплекса MicroLab-Z2; б, г — соответственно изображение нетравленой и травленой поверхности, полученное на стационарном микроскопе

Оптический анализ изображения также возможен в любом пространственном положении.

Установленный на исследовательской платформе портативный микротвердомер является запатентованным устройством [16], позволяющим в автоматизированном режиме в любом пространственном положении выполнять микроиндентирование и измерение значений микротвердости в диапазоне нагрузок на индентор 0 — 200 гс. Программные настройки позволяют регулировать такие параметры микроиндентирования, как величина усилия на индентор, скорость набора, время выдержки и скорость снятия нагрузки.

Данный прибор является глубоко модернизированной версией прототипа [17].

Микроскоп и микротвердомер могут автоматически позиционироваться в одну и ту же точку, что позволяет оптически исследовать поверхность, выбирать подходящие места для индентирования, а затем анализировать полученные отпечатки.

Возможность выполнения измерений микротвердости в любом пространственном положении обеспечивается за счет прецизионной механической балансировки подвижных элементов микротвердомера.

Задание нагрузки на индентор производится в два этапа. Сначала подается незначительная ее часть (около 5 % от плановой) для достижения контакта индентора с поверхностью, а при программной идентификации данного контакта подается основная часть усилия. Такой подход позволяет нивелировать погрешности, связанные с температурным расширением элементов микротвердомера, влияющие на абсолютные показания индукционного датчика, но не влияющие на разность показаний в момент касания поверхности и полного погружения индентора.

Для оценки точности и достоверности получаемых с использованием портативного микротвердомера значений были проведены комплексные испытания.

На первом этапе проводилась серия измерений на кристалле поваренной соли NaCl, характеризующейся стабильными значениями микротвердости и используемой для поверки стационарных микротвердомеров.

В соответствии с существующей методикой поверки были выполнены серии из 10 замеров микротвердости при нагрузке в 10 и 20 гс.

Полученные результаты показали, что во всех случаях значения микротвердости лежали в допустимом диапазоне значений 19—21 кгс/мм². Среднеквадратичное отклонение при нагрузке в 10 гс составило 0,29 кгс/мм², а при нагрузке в 20 гс — 0,17 кгс/мм², что существенно ниже допустимого значения в 0,45 кгс/мм².

На втором этапе проводились сравнительные испытания микротвердомера диагностического комплекса MicroLab-Z2 и стационарного микротвердомера ПМТ-3М на мере микротвердости МТВ-МЕТ.

Выполнялось по 30 измерений при нагрузках в 10, 30 и 50 гс.

Полученные результаты, представленные на рис. 6, показали, что разброс значений микротвердости, получаемых с использованием разработанного портативного микротвердомера, не только существенно ниже полученного на микротвердомере ПМТ-3М, но и находится в районе допустимых размахов случайной погрешности значений самой меры микротвердости МТВ-МЕТ (7 % при нагрузке в 10 гс и 5 % при нагрузке в 30 и 50 гс).

Рис. 6. Сравнительные гистограммы значений микротвердости, полученные с использованием микротвердомера диагностического комплекса MicroLab-Z2 и стационарного микротвердомера ПМТ-3М на мере микротвердости МТВ-МЕТ:

а — при нагрузке 10 гс; б — при нагрузке 30 гс; в — при нагрузке 50 гс

Таким образом, диагностический комплекс MicroLab-Z2 представляет собой устройство, позволяющее с лабораторным качеством и точностью выполнять подготовку поверхности, ее металлографический анализ, измерение значений микротвердости и оптическое изучение морфологии отпечатков.

Важно отметить, что диагностический комплекс MicroLab-Z2 оснащен датчиками температуры и вибрации, что позволяет в режиме реального времени контролировать значения указанных параметров на всех этапах исследований и не допускать их влияния на получаемые результаты.

РЕШАЕМЫЕ ЗАДАЧИ

С использованием диагностического комплекса MicroLab-Z2 может быть получена следующая информация:

• оценка загрязненности металла неметаллическими включениями по ГОСТ 1778—2022 [18];
• оценка параметров структуры основного металла и сварных соединений по ГОСТ 5639—82 [19], ГОСТ 5640—2020 [20], ГОСТ 8233—56 [21]. Для идентификации трудно различимых структурных составляющих (мартенсит, верхний/нижний бейнит и т.д.) используется измерение значений микротвердости в этих зонах;
• оценка величины наклепа металла по результатам сравнения значений микротвердости, полученных на анализируемой конструкции, со значениями, полученными на аналогичной конструкции в исходном состоянии. Либо при сравнении значений микротвердости различных зон металла конструкции (по площади или по толщине);
• оценка степени охрупчивания металла. Для пластичных металлов (сталей) степень охрупчивания определяется по специально разработанной методике [22]: по результатам анализа морфологии локализованных сдвигов рядом с отпечатком при микроиндентировании (рис. 7). Данный эффект отражает влияние различных видов упрочнения металла (дислокационного, зернограничного, дисперсного, твердорастворного) на механизм его пластической деформации: переход от однородной пластической деформации к локализованной и последующему разрушению. Для хрупких материалов степень охрупчивания может оцениваться по различным существующим методикам обработки длины, количества, морфологии трещин рядом с отпечатком, по нагрузке, приводящей к трещинообразованию, и т.д. [23—28];
• оценка протекания процессов старения металла. Может быть выполнена в ходе металлографического анализа структуры металла, по появлению характерных выделений на границах зерен (рис. 8) или более точно: по снижению значений микротвердости соответствующих структурных составляющих в анализируемом состоянии металла конструкции относительно базового [29].

Рис. 7. Различная морфология локализованных сдвигов металла рядом с отпечатком при микроиндентировании (переход от однородной пластической деформации к локализованной).

Рис. 8. Выделение карбидов по границам зерен феррита в результате старения стали 20 (увеличение ×200).

Вышеуказанная информация может быть использована в рамках следующих работ:

1. Выполнения входного или производственного контроля. К примеру, проведение исследований на наружной или торцевой поверхности труб позволит формировать категории труб с повышенным металлургическим качеством, либо наоборот, выявлять продукцию с потенциально низкими механическими свойствами, металл которой целесообразно подвергнуть разрушающим испытаниям.
2. Выполнения выборочного или капитального ремонта. В частности, исследование состояния металла в дефектной зоне позволит обоснованно снижать коэффициенты запаса в рамках проведения расчетов на прочность и долговечность, что приведет к повышению эффективности выполнения ремонтных работ. Отдельно можно отметить перспективы ремонта трещин методом вышлифовки. В настоящее время трещины устраняются преимущественно путем вырезки, поскольку при вышлифовке в полевых условиях с использованием ручного оборудования нет возможности гарантировать полное устранение дефекта, а кроме того, нет возможности оценить состояние металла в дефектной зоне. В данном случае это является принципиально важным, поскольку зарождение трещины свидетельствует об исчерпании металлом запаса пластичности. Использование диагностического комплекса MicroLab-Z2 позволит контролировать полное устранение дефекта (посредством микроскопического анализа отполированной поверхности), а также оценить степень охрупчивания металла в зоне вышлифовки (путем выполнения микроиндентирования). Наличие различных нежелательных параметров структуры (микропор, микротрещин, закалочных структур и т.д.), а также высокая степень упрочнения и охрупчивания металла в зоне дефекта не позволит качественно отремонтировать его с использованием метода заварки. Соответственно, оценка структурно-деформационных параметров в зоне дефекта с использованием MicroLab-Z2 позволит расширить возможность использования данного метода ремонта.
3. Выполнения экспертизы промышленной безопасности. Предварительное установление эмпирической взаимосвязи между структурно-химическими и деформационными параметрами металла, а также его механическими свойствами, используемыми в расчетах остаточного ресурса конструкции, позволит по результатам проводимых обследований уточнить фактические механические свойства металла конструкции и вывести на качественно иной уровень достоверность прогнозирования срока ее безопасной эксплуатации.

В полевых условиях в подавляющем большинстве случаев исследования могут быть проведены только с наружной поверхности конструкции. Учитывая, что, как правило, там фиксируются максимальные напряжения, преимущественное протекание деградационных процессов и зарождение различных дефектов [30, 31], данные, полученные с поверхности (либо при анализе дефектной зоны — в зоне максимальной глубины дефекта), будут являться наиболее информативными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Как на этапе производства, так и в процессе эксплуатации ответственных металлоконструкций, оперативный контроль состояния металла является чрезвычайно важной задачей. Применение для этой цели представленного диагностического комплекса MicroLab-Z2 целесообразно, поскольку:

• обеспечивается возможность проведения оперативной неразрушающей оценки ключевых структурно-деформационных параметров металла конструкций в различных, в том числе дефектных зонах, без необходимости вывода конструкции из эксплуатации и вырезки из нее образцов;
• благодаря автоматизированному прецизионному координатному перемещению элементов, входящих в диагностический комплекс, обеспечивается высокая точность управления глубиной снимаемого слоя поверхности;
• качество подготовки поверхности, а также достоверность получаемых данных микроскопии и микроиндентирования не уступают результатам, получаемым в лабораторных условиях с применением стационарного оборудования;
• все подготовительные и исследовательские операции могут выполняться в любом пространственном положении.

Об авторах

А. Е. Зорин

Автор, ответственный за переписку.
Email: zorinae86@rambler.ru
Россия, 169300, Ухта, ул. Первомайская, 13

В. И. Красненьков

Email: info@omicon-tech.ru
Россия, Москва, ул. Маршала Соколовского, 10, корп.1

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Общий вид диагностического комплекса MicroLab-Z2.

Скачать (1MB)

Метаданные

3. Рис. 2. Блок подготовки поверхности диагностического комплекса MicroLab-Z2.

Скачать (855KB)

Метаданные

4. Рис. 3. Общий вид подготавливаемой площадки на поверхности трубы Ду 830 мм.

Скачать (718KB)

Метаданные

5. Рис. 4. Исследовательский блок.

Скачать (914KB)

Метаданные

6. Рис. 5. Изображение поверхности листа из стали 09Г2С (×200): а, в — соответственно изображение нетравленой и травленой поверхности, полученное на микроскопе диагностического комплекса MicroLab-Z2; б, г — соответственно изображение нетравленой и травленой поверхности, полученное на стационарном микроскопе

Скачать (830KB)

Метаданные

7. Рис. 6. Сравнительные гистограммы значений микротвердости, полученные с использованием микротвердомера диагностического комплекса MicroLab-Z2 и стационарного микротвердомера ПМТ-3М на мере микротвердости МТВ-МЕТ: а — при нагрузке 10 гс; б — при нагрузке 30 гс; в — при нагрузке 50 гс

Скачать (679KB)

Метаданные

8. Рис. 7. Различная морфология локализованных сдвигов металла рядом с отпечатком при микроиндентировании (переход от однородной пластической деформации к локализованной).

Скачать (752KB)

Метаданные

9. Рис. 8. Выделение карбидов по границам зерен феррита в результате старения стали 20 (увеличение ×200).

Скачать (619KB)

Метаданные