Патент на изобретение №2379172

(54) СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ СТЕНОК МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОСУДОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к способам локального упрочнения ударным поверхностным пластическим деформированием стенок металлических сосудов, содержащих участки с размерными и структурными неоднородностями. Устанавливают величину требуемого относительного упрочнения, обеспечивающего равнопрочность стенок сосуда на таком участке и бездефектной стенке, и осуществляют обработку поверхности упрочняемой стенки инструментом виброударного действия. Обработку ведут в повторно-периодическом режиме, чередуя ее с замерами твердости поверхности, толщины упрочняемой стенки и вычислениями текущих значений критерия, равного , где h, h₀ – текущее и начальное значения твердости поверхности упрочняемой стенки в месте обработки, выраженные в одних и тех же единицах твердости; , ₀ – текущее и начальное значения толщины упрочняемой стенки в месте обработки, мм. При значении величины требуемого относительного упрочнения, меньшем вычисленного текущего значения упомянутого критерия, обработку поверхности прекращают. В результате контроль упрочнения упрощается, обеспечивается возможность работы в полевых условиях без применения тензометрических приборов. 1 табл.

Изобретение относится к способам получения наклепа – упрочнения материалов ударным поверхностным пластическим деформированием путем обработки инструментом виброударного действия. Наилучшим образом способ реализуется инструментом с источником механической энергии в виде резонатора упругих колебаний ультразвуковой частоты, который передает ударные импульсы посредством деформирующих элементов – бойков.

Область применения изобретения – упрочнение при изготовлении и ремонте объектов типа металлических оболочек в местах, где имеются размерные и структурные неоднородности:

– механические дефекты и повреждения поверхности;

– локальные утонения вследствие коррозии;

– усталостные поверхностные трещины;

– сварные соединения с измененной структурой металла вблизи швов;

– резко изменяющие рельеф поверхности конструктивные элементы, которые в совокупности или по отдельности под действием приложенных, внешних сил могут становиться зонами концентрации механических напряжений и вызывать напряженно-деформированные состояния.

Преимущественная область – упрочнение в таких местах стенок сосудов, работающих под давлением и испытывающих эксплуатационные нагрузки в виде тангенциальных растягивающих напряжений, обобщенный эквивалент которых [1] является функцией толщины стенки, внутреннего давления, размеров сосуда и описывается известной котельной формулой или ее частными случаями. К ним относятся стенки труб магистральных газо-, нефте-, паро- и водопроводов, стенки паровых и водяных котлов, кессонов и резервуаров различного назначения, а также обечаек и заготовок, из которых они изготавливаются.

Изобретение можно использовать как при изготовлении и монтаже этих объектов, так и при выполнении на них ремонтных работ, в том числе производимых в полевых условиях.

Способ также можно применять для улучшения эксплуатационных характеристик деталей машиностроения и транспорта, объектов энергетики и строительства, например:

– поверхностей качения и скольжения станков, машин и аппаратов;

– колес подвижного состава железнодорожного транспорта;

– металлоконструкций опор линий электропередачи, эстакад и мостов при выполнении сварных и клепаных соединений, с целью увеличения пределов усталости при циклических нагрузках, износостойкости и коррозионной устойчивости [2].

Известны многочисленные способы поверхностного пластического деформирования деталей машиностроения [ЕР 1064118, 1999; ЕР 1038977, 2000; ЕР 1261455, 2006], в том числе инструментом, которым удары наносятся посредством деформирующих элементов различных конструкций [RU 2124430, 1999; RU 2219042, 2003], в том числе, осуществляемого с использованием ультразвуковых колебаний [RU 2170654, 2001, Заявка РФ 2005103594, 2005]. Все эти способы не предполагают каких-либо специальных методов контроля упрочнения, являющегося результатом поверхностного пластического деформирования. Поэтому при их использовании с целью достижения технического результата изобретения нельзя точно и однозначно установить в ходе или после обработки насколько деформированная снаружи стенка сосуда будет сильнее сопротивляться в эксплуатации растягивающим усилиям, создаваемым в ней внутренним давлением, то есть, насколько она упрочнилась. Кроме того, создаваемые при пластическом деформировании сжимающие тангенциальные напряжения в отсутствие контроля их величины при превышении ими некоторого значения, особенно на тонкостенных объектах, могут самопроизвольно релаксировать, вызывая макродеформации стенки в виде гофр и изменяя тензор напряжений, что вновь порождает их концентрацию. Применение известных методов тензометрии, таких как метод магнитной памяти металла, метод акустической эмиссии [3] или метод, основанный на явлении акустоупругости [4, 5] для оперативного контроля, например, снятия поверхностным пластическим деформированием послесварочных растягивающих напряжений в околошовной зоне сварных соединений на магистральных трубопроводах практически невозможно. Каждый из этих методов требует использования комплекса сложной аппаратуры и специальных навыков [6], что сильно усложняет работу персонала, непосредственно производящего монтажные и ремонтные работы в полевых условиях. При таких работах и без того контролируют качество самой сварки на наличие дефектов, как в известном способе ремонта магистральных трубопроводов [RU 2277667, 2006]. Реализуя его, дефектный участок заваривают, наплавляя металл, удаляют его излишки заподлицо с поверхностью стенки трубы и производят ультразвуковую ударную обработку упрочненной таким образом поверхности. В статье [7], где описаны преимущества этого способа, приведены диаграммы тангенциальных напряжений в зоне упрочнения до и после ударной обработки, построенные по результатам лабораторных исследований, очевидно, с применением упомянутого метода магнитной памяти металла, так как величина их выражена в единицах напряженности магнитного поля. Таким образом, этот способ обладает в отношении оперативного контроля процесса теми же недостатками, что и рассмотренные выше. Все это препятствует достижению сформулированного ниже технического результата изобретения при использовании их для локального упрочнения металлических стенок сосудов, эксплуатирующихся под давлением.

Известны способы обработки [RU 2224627, 2004; RU 2168552, 2001] ударным поверхностным пластическим деформированием с одновременным пропусканием электрического тока через контакт деформирующего элемента и обрабатываемого объекта. Контроль осуществляют в первом случае по времени обработки, а во втором, кроме того, контролируют величину ударного импульса, используя значения развиваемых усилий и исходной твердости металла обрабатываемого объекта. То есть в отношении обрабатываемого объекта контролируют только начальные характеристики, а контроль текущих значений осуществляют только в отношении параметров, определяющих динамику удара, и общей продолжительности воздействия. Степень упрочнения при этом нельзя определить даже косвенно, а для непосредственного измерения наклепа по остаточным напряжениям опять потребуется применение одного из видов тензометрии: электрической, магнитной, рентгеновской либо акустической. Это обстоятельство не позволяет использовать и эти аналоги для достижения технического результата изобретения.

Схожим недостатком обладает и технологический комплекс для обработки сварных конструкций [RU 2031144, 1995], включающий ультразвуковой виброударный инструмент, в котором во время работы оперативно автоматически контролируют амплитуду колебаний источника механической энергии. Известны подобные ему способы поверхностного пластического деформирования под воздействием ультразвуковых колебаний [RU 2068763, 1996; Заявка РФ 2004114010, 2005], в процессе которых контролируют уровень производимого деформирующими элементами шума. Это дает возможность обеспечивать оптимальные параметры процесса обработки, но не позволяет определить величину характеризующих наклеп пластической деформации и остаточных напряжений, а также сравнить получаемое упрочнение с желаемым. Поэтому и эти способы при их использовании для упрочнения стенок сосудов, эксплуатируемых под давлением, также не позволят получить сформулированный ниже технический результат изобретения.

Косвенно степень упрочнения контролируют при осуществлении способа ультразвуковой виброударной обработки [Заявка PCT/UA 2006/000049, WO 2007/015688] по заданному количеству ударов, амплитуде ультразвуковых колебаний, силе статического прижима и скорости перемещения инструмента, зная количество, форму и размер деформирующих элементов. Из этих параметров составлен критерий степени пластической деформации, посредством которого и осуществляют контроль. А в способе упрочняюще-пассивирующей обработки пораженных коррозией стенок трубопроводов высокого давления, который является наиболее близким аналогом изобретения и принят за прототип [8], в критерий также включены временной тренд частоты ударов и величина остаточной деформации – осадка. Измерение последней требует чередования ударного деформирования с замерами толщины стенки, то есть повторно-периодического режима обработки и измерений.

В отличие от интенсивности шума, контролируемой в рассмотренных выше аналогах, частота ударов при многократном повторно-периодическом сканировании поверхности упрочняющим инструментом несет информацию об изменении коэффициента восстановления при упруго-пластическом ударе [9]. Поскольку именно он определяет дистанцию отскока центра масс инструмента после каждого удара, то при постоянстве приложенной к инструменту статической силы изменение частоты ударов характеризует величину наклепа. Для определения достаточности упрочнения в прототипе используют критерий увеличения прочности участка обрабатываемой стенки, на котором она была утонена коррозией. Этот критерий сформулирован из условия достижения равнопрочности обрабатываемого участка стенки и бездефектной стенки, имеющей номинальную толщину. Критерий основан на частном случае котельной формулы для трубы бесконечной протяженности. В соответствии с ней в критерии должен бы быть использован обобщенный эквивалент твердости, приведенный к срединной линии стенки, к которой при эксплуатации приложено сосредоточенное растягивающее усилие. В качестве него можно использовать, например, усредненное по толщине стенки значение твердости, поскольку известно, что она коррелированна с прочностными характеристиками [10], например с пределом текучести. Но в критерии прототипа используют твердость поверхности, с которой осуществляют упрочнение. Это делают всего лишь на том основании, что создаваемые при наклепе остаточные напряжения в стенке трубы имеют тот же знак, что и напряжения от нагружения ее внутренним давлением, то есть, всегда исключен эффект Баушингера. Однако даже при справедливости такого приближения увеличение поверхностной твердости не пропорционально увеличению средней по толщине твердости стенки. Известно, что упрочнение при поверхностном пластическом деформировании асимптотически убывает вглубь. Функция этого убывания в прокате из металлов и сплавов в общем виде является нелинейной трансцендентной функцией расстояния от поверхности по нормали, некоторые параметры которой определяются экспериментально [11]. Поэтому для определения обобщенного эквивалента прочности, действующего против эксплуатационной нагрузки, приложенной к срединной линии стенки, в прототипе необходимо заведомое знание всех параметров функции упрочнения по толщине. Оно требует предварительных лабораторных испытаний на удар образца стали [12], из которой изготовлена обрабатываемая стенка. В противном случае контроль упрочнения будет приблизительным и недостоверным. Кроме того, стабилизация статического усилия прижима ручного инструмента – задача сама по себе требующая специальных решений [RU 2179919, 2002; RU2259912, 2005], что не позволяет использовать для упрочнения любой известный виброударный инструмент. Все это препятствует получению технического результата изобретения при использовании прототипа.

Изобретение направлено на упрощение оперативного контроля упрочнения ударным пластическим деформированием металлических стенок сосудов, предназначенных для эксплуатации под давлением. Оно реализуется путем периодической проверки выполнения выраженного критерием достаточности специального условия по результатам чередующихся с упрочнением измерений толщины упрочняемой стенки и твердости ее поверхности. Технически это дает возможность подконтрольно производить упрочнение объектов в полевых условиях без использования сложных в обращении и дорогостоящих измерительных средств, требующих особых условий использования и специально подготовленного квалифицированного персонала, а также не предъявляя особых требований к виброударному инструменту.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Известно, что у поликристаллических материалов типа используемых для изготовления сосудов, работающих под давлением, конструкционных сталей характер ослабления остаточных напряжений вглубь от поверхности в области пластических деформаций практически идентичен [13, 14], а сами эти напряжения согласно деформационной теории пропорциональны осадке [15]. Следовательно, при построении математической модели деформирования [16] распределение напряжений в конструкционных сталях можно описать в рамках теории плоского потенциала [11] и установить вид аналитической функции изменения упрочнения вдоль нормали к поверхности. Такая функция была найдена путем постановки вычислительных экспериментов и натурных измерений градиентов твердости на косых срезах образцов конструкционных сталей, упрочненных поверхностным пластическим деформированием. Для практического использования при упрочнении объектов толщиной до 50 мм она была аппроксимирована экспонентой полинома третьего порядка от измеряемой толщины. В результате для широкого спектра конструкционных сталей была формализована зависимость упрочнения от твердости поверхности и толщины объекта, которая ограничивает по необходимому и достаточному минимуму среднеинтегральную степень упрочнения по толщине. Входящая в нее как параметр твердость может быть измерена любым переносным, например ультразвуковым, твердомером, а толщина – переносным ультразвуковым же толщиномером, который можно здесь применить, так как известно, что групповая скорость распространения ультразвука в зоне остаточных напряжений от пластического деформирования сталей меняется незначительно.

Техническим результатом изобретения является упрощение оперативного контроля упрочнения ударным поверхностным пластическим деформированием металлических стенок сосудов, эксплуатирующихся под давлением, во время их монтажа или ремонта при безусловном обеспечении достаточности упрочнения по отношению к заданному значению и без предъявления особых требований к виброударному инструменту, которым упрочнение осуществляется.

Указанный результат при использовании изобретения достигается за счет того, что в известном способе локального упрочнения ударным поверхностным пластическим деформированием стенок металлических сосудов, содержащих участки с размерными и структурными неоднородностями, включающем установление величины требуемого относительного упрочнения, обеспечивающего равнопрочность стенки сосуда на таком участке к бездефектной стенке сосуда и обработку поверхности упрочняемой стенки инструментом виброударного действия, отличие состоит в том, что обработку ведут в повторно-периодическом режиме, чередуя ее с замерами твердости поверхности, толщины упрочняемой стенки и вычислениями текущих значений критерия вида ,

где h, h₀ – текущее и начальное значения твердости поверхности упрочняемой стенки в месте обработки, соответственно, выраженные в одних и тех же единицах твердости; , ₀ – текущее и начальное значения толщины упрочняемой стенки в месте обработки, соответственно, выраженные в миллиметрах, а когда установленное значение относительного упрочнения станет меньше вычисленного текущего значения критерия, обработку поверхности прекращают.

Для сравнения изобретения с прототипом из листовой стали нормальной прочности по ГОСТ 5521-93 с исходной твердостью h₀=132±4 ед. по шкале Бриннеля, измеренной в пяти точках поверхности, изготовили образцы. Треть из них упрочнили с одной стороны приблизительно на 15%, контролируя упрочнение в соответствии с признаками прототипа, треть – в соответствии с признаками изобретения и треть оставили необработанными и использовали как контрольные.

В качестве виброударного инструмента использовали ультразвуковой технологический комплекс «Шмель-МГ». Для измерения твердости поверхности во всех случаях использовали ультразвуковой твердомер, позволяющий производить измерения гораздо точнее, чем по методу отскока. Средняя осадка при упрочнении, вычисленная по пяти замерам толщины микрометром, везде осталась в пределах допуска на толщину образцов для испытаний по ГОСТ 1497-84. На универсальной испытательной машине у образцов определили условные пределы текучести при растяжении.

Усредненные результаты упрочнения и испытаний приведены в таблице.

Таблица
ПАРАМЕТР	Ед. изм.	ЗНАЧЕНИЕ
Прототип	Изобретение	Контроль
Остаточная деформация (осадка), –0	мм	0,06±0,03	0,07±0,04	–
Твердость поверхности после упрочнения, h	НВ	153±5	170±5	133±4
Предел текучести при растяжении условный, 0,2	Н/мм2	271±7	301±8	235

Из нее видно, что образцы, упрочненные в соответствии с признаками прототипа, выдерживают механические напряжения, не приводящие к возникновению заметных остаточных деформаций, большие, чем контрольные образцы, но меньшие, чем образцы, упрочненные в соответствии с признаками изобретения. При этом у последних относительное упрочнение поверхности на 11% больше.

Таким образом, сравнение заявленного способа с прототипом, являющимся техническим решением, которое наиболее полно характеризует известный заявителю уровень техники в области предмета изобретения, показывает, что заявленный способ обладает существенным по отношению к указанному техническому результату отличием. При анализе этого отличия не выявлено каких-либо аналогичных решений, касающихся организации оперативного контроля процесса упрочнения при поверхностном пластическом деформировании.

Изобретение может быть осуществлено следующим образом.

Пусть, например, как в случае, приведенном в описании прототипа, требуется восстановить путем создания наклепа ударным пластическим деформированием прочность пораженного коррозией на глубину 2 мм участка стенки изготовленной из стали марки 17Г1С трубы магистрального газопровода, которая имеет номинальную толщину 14 мм. Для этого сначала, например, портативным твердомером ТЭМП-4 замеряют твердость поверхности стенки вне пораженного участка h₀. Пусть, например, она равна 195 НВ. В месте коррозионного поражения стенка имеет толщину ₀=14-2=12 мм. В соответствии с частным случаем котельной формулы для трубы бесконечной протяженности, чтобы также как бездефектная стенка трубы упруго противостоять растягивающим напряжениям, приложенным к срединной линии диаметра трубы, металл пораженного участка должен быть прочнее в 14_12=1,167 раза. Это и есть требуемое относительное упрочнение. Обработку производят, например, тем же комплексом «Шмель-МГ», последовательно сканируя поверхность пораженного участка бойками виброударного инструмента, и чередуют ее с измерениями твердости и толщины стенки в зоне обработки. Для измерения последней можно использовать, например, переносной ультразвуковой толщиномер ТУ3-1. Для повышения достоверности измерений выполняют несколько измерений каждой из величин и вычисляют среднее значение. Оба поименованных прибора, имея микропроцессорное управление, позволяют упросить эту процедуру, а твердомер может и усреднять измерения сам. Результаты измерений подставляют в выражение для критерия и производят вычисление его текущего значения. Для этого, например, используют любой программируемый калькулятор. Пусть при произведенном после выполненной обработки измерении и вычислении средних h и их текущие значения оказались равными, например, 219 НВ и 11,95 мм, соответственно. Значение критерия при этом 1,147е^-0,039=1,103, что меньше, чем 1,167. Тогда очередной раз выполняют этап сканирования виброударным инструментом обрабатываемой поверхности и снова производят измерения и вычисления. Пусть на этот раз h=231 НВ, =11,90 мм. Тогда 1,262е^-0,076=1,170>1,167. То есть, при условии равномерности наклепа на всей поверхности обработанного участка, которую можно проконтролировать визуально, упрочнение можно считать достаточным.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных в заявке или известных ранее средств и методов, а также о возможности достижения его технического результата.

ЛИТЕРАТУРА

6. Исследования и изобретательство в машиностроении / Под ред. М.Ф.Пашкевича. – Минск.: Адукацыя i выхаванне, 2005. – 287 с.

9. Пановко Я.Г. Введение в теорию механического удара. – М.: Наука, 1977.

11. Исследование ультразвукового ударного способа поверхностной обработки и разработка рекомендаций по его применению в качестве упрочняюще-пассивирующего средства при ремонте линейной части магистральных газопроводов / Отчет о научно-исследовательской работе, Гос. рег. ВНТИЦ 70990000161. – 1999. – 44 с.

12. Батуев Г.С.и др. Инженерные методы исследования ударных процессов. – М.: Машиностроение, 1977.

14. Муханов И.И., Голубев Ю.М. Упрочнение стальных деталей шариком, вибрирующим с ультразвуковой частотой.- Вестник машиностроения, 11, 1966.

15.Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1988.

Формула изобретения

Способ локального упрочнения ударным поверхностным пластическим деформированием стенок металлических сосудов, содержащих участки с размерными и структурными неоднородностями, включающий установление величины требуемого относительного упрочнения, обеспечивающего равнопрочность стенок сосуда на таком участке и бездефектной стенке, и обработку поверхности упрочняемой стенки инструментом виброударного действия, отличающийся тем, что обработку ведут в повторно-периодическом режиме, чередуя ее с замерами твердости поверхности, толщины упрочняемой стенки, вычислениями текущих значений критерия, равного ,
где h, h₀ – текущее и начальное значения твердости поверхности упрочняемой стенки в месте обработки, выраженные в одних и тех же единицах твердости; , ₀ – текущее и начальное значения толщины упрочняемой стенки в месте обработки, мм, а когда установленное значение требуемого относительного упрочнения станет меньше вычисленного текущего значения упомянутого критерия, обработку поверхности прекращают.