Коэффициент вариации предела текучести металла новых и долгое время эксплуатировавшихся строительных конструкций

Введение. Для  оценки  состояния  металла  конструкции  чаще  всего  применяют неразрушающие  методы. Опасное напряжение определяется по значению предела текучести. У такого подхода есть слабые места. Это, во-первых, вероятностная природа методики (в нормативно-техническую документацию вносится минимальное значение показателя, полученное при лабораторных испытаниях). Во-вторых, следует преодолеть ограничения по  числу  образцов.  В-третьих,  разная  длительность  эксплуатации  обусловливает  значительную  разницу механических  характеристик  металла,  что  в  известной  степени  осложняет  долгосрочное  прогнозирование состояния  конструкции.  Представленная работа призвана решить  эти  задачи в  рамках  исследования  новых и давно  эксплуатируемых  объектов  в  Ростовской  области. Цель научных  изысканий — анализ усталостных изменений и определение возможной деградации металла.

Материалы  и  методы. Механические  характеристики  исследуемого  материала  достоверно  описываются законом  распределения  Вейбулла  через  параметр  сдвига  (минимально  возможное  значение  характеристики) и параметр  формы  (рассеивание  величины).  Для  научных  изысканий  в  рамках  работы  задействовали  метод индентирования,  основанный  на  видоизмененном  способе  оценки  твердости  по  Роквеллу.  Конический индентор  внедряется  в  поверхность,  затем  анализируется  реакция  металла.  Для  реализации  метода воспользовались  аналогово-цифровым  преобразователем  и  ноутбуком.  Для  корреляционного  анализа  брали промежуточные  характеристики:  глубина,  максимальная  и  минимальная  скорости,  максимальное и минимальное ускорение внедрения конуса. Устанавливалась корреляция с механическими характеристиками, определенными по стандартным испытаниям на растяжение и твердость металла.

Результаты исследования. Изучались объекты с нулевой и многолетней эксплуатацией. Замеры проводили на складе, производстве, стадионе, мосту, во Дворце спорта и на опоре линии электропередач. Из группы новых и отработавших сооружений выбрали по одному для подробной фиксации значений пределов текучести. Так, до  начала  эксплуатации  проанализировали  состояние  трех  металлических  ферм  склада.  Установлено,  что наименьше  значение  предела  текучести  здесь  — 240  МПа,  максимальное  — 345  МПа.  На  опорах  линии электропередач, бывших в эксплуатации 43 года, самое низкое зафиксированное значение предела текучести — 235 МПа, самое высокое — 384 МПа. Для каждого из шести сооружений приводится минимальное и среднее распределение  значений  предела  текучести  металла,  даны  коэффициенты  вариации  этого  показателя. Зафиксированные  значения  обобщены  в  виде  таблицы.  Рассчитаны средние  показатели  по  всем  новым и отработавшим  конструкциями.  Графически  представленные  данные  иллюстрируют  рост  коэффициентов вариации предела текучести с увеличением срока эксплуатации.

Обсуждение  и  заключение. Сравнительный  анализ  полученных  значений  предела  текучести  строительных конструкций  приблизительно  одного  класса  прочности  позволяет предположить,  что  влияние  времени эксплуатации  может  как  увеличить,  так  и  уменьшить  исследуемый  показатель.  При  этом  длительная эксплуатация  — фактор,  увеличивающий  среднее  значение  коэффициента  вариации. Для  мониторинга прочностных  возможностей  конструкции  целесообразно  задействовать  неразрушающий  метод,  выборочно отслеживая механические характеристики элементов до и в процессе эксплуатации.

1. Доценко Е.Р, Мындюк В.Д., Карпаш М.О. и др. Оценка изменений механических свойств металла магистральных трубопроводов с использованием методов неразрушающего контроля. В: Труды VII междунар. науч.-тех. конф. по надежности и безопасности магистрального трубопроводного транспорта. Новополоцк: ПГУ; 2011. С. 143–145. URL: https://www.psu.by/images/stories/nauka/tezis_7mntk.pdf (дата обращения: 28.05.2023).

2. Горынин И.В, Тимофеев Б.Т. Деградация свойств конструкционных материалов при длительном воздействии эксплуатационных температур. Вопросы материаловедения. 2011;(1(65)):41–59. URL: http://www.crism-prometey.ru/science/editions/Russian1(65)2011.pdf (дата обращения: 28.05.2023).

3. Демина Ю. Влияние длительной эксплуатации и хранения на механические свойства и механизмы разрушения конструкционных материалов. Автореф. дис. канд. тех. наук. Москва; 2014. 26 c.

4. Лубенский С.А., Ямников С.А. Влияние длительности эксплуатации на свойства металла труб магистральных трубопроводов. Проблемы анализа риска. 2013;10(1):58–63.

5. Быков И.Ю., Бирилло И.Н., Кузьбожев П.А. Исследование характеристик механических свойств металла труб газораспределительной станции после продолжительной эксплуатации. Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. 2015;(2):86–91. https://doi.org/10.31660/0445-0108-2015-2-86-91

6. Большаков А.М. Анализ разрушения и дефектов в магистральных газопроводах и резервуарах Севера. Газовая промышленность. 2010;(5(646)):52–53.

7. Сыромятникова А.С. Деградация свойств металла труб при длительной эксплуатации в условиях низких климатических температур в составе магистральных газопроводов. Вестник Томского государственного университета. 2013;18(4-2):1746–1747.

8. Никифорчин Г.Н., Цирульник О.Т., Звирко О.И. и др. Оценка деградации физико-механических свойств сталей длительно эксплуатируемых магистральных газопроводов. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2013;79(9):48–55.

9. Aneesh Bangia, Raghu V. Prakash. Energy Parameter Correlation of Failure Life Data between Cyclic Ball Indentation and Low Cycle Fatigue. Open Journal of Metal. 2012;2(1):31–36. https://doi.org/10.4236/ojmetal.2012.21005

10. Collin M., Parenteau T., Mauvoisin G., Pilvin P. Material Parameters Identification Using Experimental Continuous Spherical Indentation for Cyclic Hardening. Computational Materials Science. 2009;46(2):333–338. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2009.03.016

11. Горев В.В., Уваров Б.Ю, Филиппов В.В. и др. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Элементы стальных конструкций. Москва: Высшая школа; 1997. 527 с.

12. Pullin R., Holford K.M., Lark R., Eaton M.J. Acoustic emission monitoring of bridge structures in the field and laboratory. Journal of Acoustic Emission. 2008;26:172–181.

13. Anastasopoulos A.A., Kourousis D.A., Cole P.T. Acoustic emission inspection of spherical metallic pressure vessels. In: The 2nd International Conference on Technical Inspection and NDT (TINDT2008). Iran, Tehran; 2008. 10 p. URL: http://www.ndt.net/article/tindt2008/papers/177.pdf (дата обращения: 28.05.2023).

14. Pollock A. Probability of detection for acoustic emission. Journal of acoustic emission. 2007;25:231–237.

15. Polyzos D., Papacharalampopoulos A., Shiotani T., Aggelis D.G. Dependence of AE Parameters on the Propagation Distance. Journal of acoustic emission. 2011;29:57–67.

16. Gongtian Shen, Zhanwen Wu. Study on Spectrum of Acoustic Emission Signals of Bridge Crane. Insight — Non-Destructive Testing and Condition Monitoring. 2010;52(3):144–148. URL: http://www.ndt.net/article/ecndt2010/reports/1_07_08.pdf

17. Dirk Aljets, Alex Chong, Wilcox S.J., et al. Acoustic emission source location in plate-like structures using a closely arranged triangular sensor array. Journal of acoustic emission. 2010;28:85–98.

18. Pullin R., Baxter M., Eaton M., Holford K.M., Evans S. Novel acoustic emission source location. Journal of acoustic emission. 2007;25:215–223.

19. Wilson J.W., Liu Jun, Karimian N., Davis C.L., Peyton A.J. Assessment of microstructural changes in Grade 91 power station tubes through permeability and magnetic Barkhausen noise measurements. In: 11th European Conference on Non-Destructive Testing (ECNDT 2014). Czech Republic, Prague; 2014. URL: https://research.manchester.ac.uk/en/publications/assessment-of-microstructural-changes-in-grade-91-power-station-t (дата обращения: 28.05.2023).

20. Hongping Jin, Wenyu Yang, Lin Yan. Determination of residual stresses and material properties by an energy-based method using artificial neural networks. Proceedings of the Estonian Academy of Sciences. 2012;61(4):296–305. https://doi.org/10.3176/proc.2012.4.04

21. Clausnera А., Richterb F. Fundamental limitations at the determination of initial yield stress using nanoindentation with spherical tips. European Journal of Mechanics. 2016;58:69–75. https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2016.01.009

22. Беленький Д.М., Недбайло А.А. Способ определения механических характеристик и физического критерия подобия прочности материала детали. Патент РФ, № 2279657. 2006. 12 с. URL: http://allpatents.ru/patent/2279657.html (дата обращения: 28.05.2023).

23. Бескопыльный А.Н, Веремеенко А.А., Вернези Н.Л. Программа для ЭВМ № 2015610650 Вектор 2015. Свидетельство РФ о государственной регистрации, № 2014661747. 2015. URL: https://onlinepatent.ru/software/2015610650/ (дата обращения: 28.05.2023).

24. Вернези Н.Л., Веремеенко А.А., Вальдман Д.С. Исследование прочностных характеристик металлического крепежа деревянного корпуса речного причала. Инженерный вестник Дона. 2015;(3). URL: http://ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3231(дата обращения: 28.05.2023).

25. Belen’kii D.M., Vernezi N.L., Cherpakov A.V. Changes in the mechanical properties of butt welded joints in elastoplastic deformation. Welding International. 2004;18(3):213–215. https://doi.org/10.1533/wint.2004.3268