Акустический контроль механических напряжений в резьбовых соединениях

(Специальная методика контроля резьбовых соединений дефектоскопом УД-4Т).

Резьбовые соединения составляют в среднем до 70 % от общего количества соединений в современных конструкциях. Важнейшей технической проблемой остается обеспечение оптимального усилия при затяжке болтов (шпилек). В простейших ситуациях для этих целей достаточно применения примитивных устройств, например, динамометрических ключей. Однако, во многих случаях — при креплении узлов и элементов в судостроении, автомобилестроении, авиационной технике, при сборке фланцевых соединений энергетических установок на тепловых и атомных электрических станциях, в космических летательных аппаратах - контроль напряжений связан с большими трудностями.

Основной причиной разрушения резьбовых деталей является невозможность получения достоверных сведений о величине усилий, действующих на эти детали во время монтажа и эксплуатации, так как отсутствуют методы экспериментального определения этих усилий. Зачастую у резьбовой детали свободным является только один торец, поверхность которого считается не подверженной деформации, что не позволяет применить ни один из известных физических методов определения напряжений (электротензометрию, рентгеновскую тензометрию, методы магнитоупругости, фотоупругих покрытий и т.д.). В последнее время появились новые, достаточно точные методы инженерных расчетов, принципиально позволяющие в некоторых несложных ситуациях определять напряжения аналитически, но без экспериментальных исследований окончательно решить эту проблему в общей постановке, по-види- мому, невозможно.

Обеспечение надежного контроля усилий затяжки резьбовых соединений в диапазоне от 10 до 1500 МПа во многом зависит от успешности разработки экономичных и простых в эксплуатации методов НК.

Современное развитие УЗ-техники позволяет считать, что такую задачу можно решить методами акустической тензометрии. Основное преимущество этих методов заключается в возможности установки первичного датчика (пьезопреобразователя) на недеформированную поверхность (торец) резьбовой детали. Такой возможностью не обладает больше ни один из известных физических методов.

Однако выбор в пользу методов акустической диагностики напряжений не столь прост и однозначен, так как во внимание должен быть принят ряд факторов:

назначение и тип конструкции
особые требования к ее надежности
качество изготовления и технические условия эксплуатации
окружающие условия
квалификация обслуживающего персонала
экономические аспекты проблемы.

Резьбовые детали в реальных конструкциях подвергаются неоднородному одноосному растяжению, изгибу из-за коробления фланцев и кручению вследствие схода резьбы. Задача акустической тензометрии заключается в определении осевых растягивающих усилий, возникающих в процессе затяжки и отнесенных к гладкой части детали, представляющей собой цилиндр диаметром 8 ... 160 мм и длиной 50 ... 1500 мм.

Как правило, доступным для ввода и вывода ультразвука является один из торцов образца. Предыстория материала в большинстве случаев неизвестна.

Важнейшими проблемами являются оценка ожидаемой погрешности, учет влияния внешних воздействий и геометрии объекта, выбор типа волн и частоты ультразвука, выбор метода акустических измерений. В общем случае использование методов акустической тензометрии затруднено из-за малости акустоупругого эффекта.

Необходимо учитывать влияние таких факторов:

дисперсии, дифракции, затухания УЗ волн в материале контролируемого объекта;
задержки и искажений импульса в контактных слоях;
искажений сигнала из-за несовершенства геометрии торцовых поверхностей образца и др.

Для этого в большинстве случаев достаточно выполнения условия, λ<0,1d ,что во многих ситуациях обеспечивается использованием диапазона частот 2,5 ... 10 (λ-длина УЗ волны, d-средний диаметр болта)

Геометрия резьбовой детали предполагает прозвучивание продольными или сдвиговыми волнами в направлении усилия. Отношение диаметра болта к его длине не должно превышать 0,6.

Использование результатов измерения времени распространения УЗ колебаний, полученных до приложения нагрузки и при ее воздействии, позволяет компенсировать отсутствие информации о предыстории материала, остаточных напряжениях, влиянии переходного контактного слоя, значении угла ввода, некотором отклонении отражающих граней от плоскостности, параллельности и т.п.

Специализированная программа (методика контроля резьбовых соединений дефектоскопа УД-4Т ) учитывающая все выше перечисленные факторы предназначена для контроля усилия затяжки резьбовых соединений со шпильками и болтами диаметром не менее 12 мм, при соотношении длины к диаметру не более 7, изготовленных из сталей и титановых сплавов. Контроль усилий затяжки производится методами акустической тензометрии, под которой понимается совокупность методов и средств контроля, основанных на измерении характеристик упругих волн, распространяющихся в среде. Практическая реализация этой методики находит самое широкое применение в авиакосмической и нефтегазовой промышленности для контроля степени равномерного натяжения резьбовых соединений.

Объектами контроля, как правило, являются узлы болтовых соединений на ж/д транспорте и металлургических заводах, цилиндров высокого давления ТЭС и АЭС, сосудов высокого давления нефтегазодобывающей промышленности, элементов реактивных двигателей космических аппаратов и др.

Программа реализует способ акустической (ультразвуковой) тензометрии, основанный на зависимости скорости (времени распространения) УЗК в материалах, от действующих на них механических напряжений. Расчёт действующей величины механических напряжений осуществляется на основе прецизионных измерений времени распространения УЗ волн в материале.

статья написана на основании данных опубликованных в справочники «Неразрушающий контроль» под общей редакцией В.В. Клюева, данных предоставленных производителем ультразвукового дефектоскопа УД4-Т

Версия для печати