Юбилейная XLV Международная выставка-презентация
научной, учебно-методической и художественной литературы

Активная диагностика разрушения и предотвращение техногенных катастроф


ГруппаНаучная литература
Область науки
Технические науки
Название на русском языкеАктивная диагностика разрушения и предотвращение техногенных катастроф
Авторы на русском языкеАпасов А.М.
Название на английском языкеActive Diagnostics of Destruction and Prevention the Technological Catastrophes
Авторы на английском языкеAPASOV Alexander Mikhailovich
Вид издания на русском языкеМонография
Издательство на русском языкеИзд-во Томского политехнического университета, 2010. 216 с.

Резюме

Несмотря на достигнутый высокий уровень развития промышленных технологических процессов техногенные катастрофы еще имеют место. Отказ в работе или разрушение неизбежно завершают функционирование любого изделия или объекта и могут привести к необратимым гуманитарным и экологическим последствиям не только в пределах одного региона, государства, но и, более того, в планетарном масштабе.

Поэтому в настоящее время проблема значительного повышения качества, надежности и долговечности материалов изделий продолжает оставаться одной из главных проблем специального машиностроения и объектов ответственного назначения. Особенно эти проблемы важны для объектов, эксплуатирующихся в экстремальных условиях. С этой точки зрения результаты исследований, приведенные в монографии А.М. Апасова, актуальны как с научной, так и с практической точки зрения. Это определяется тем, что поставленная автором цель направлена на решение комплекса задач, позволяющего в итоге обеспечить безукоризненное качество неразъемных сварных соединений в изделиях ответственного назначения уже на этапе технологического процесса их изготовления. Причем следует отметить, что сварные швы, которые являются одними из наиболее прогрессивных типов неразъемных соединений, всегда были и остаются наиболее слабым звеном в общей схеме изделия и конструкции. Это объясняется, в большинстве случаев, физической неоднородностью металла, т.е. наличием дефектов различного структурного уровня: точечных, линейных, поверхностных, объемных в области формирования сварного соединения, что приводит к значительному снижению его физических и механических свойств. В качестве подобных дефектов у самого обширного класса изделий с неразъемными соединениями, получаемыми способом сварки, выступают трещины и непровары. Диагностику процесса зарождения данных дефектов при сварке до сих пор очень сложно осуществить.

Актуальность проблемы обусловлена еще и тем, что в рамках радиографического метода контроля, в основном используемого для неразрушающего контроля металла изделий, невозможно дать 100% –ную гарантию качества сварных швов из-за его объективных недостатков. Кроме того, трудоемкость последующего устранения выявленных опасных дефектов, как правило, значительно выше трудоёмкости собственно процесса сварки. В сварных швах отдельных уникальных узлов исправление вообще недопустимо, а в некоторых видах изделий присутствие дефектов должно быть полностью исключено. Существенным ограничением радиографического метода является и то, что контроль следует проводить после устранения обнаруженных при внешнем осмотре сварного соединения наружных дефектов, которые могут помешать расшифровке снимка. Следует отметить также, что основными видами опасности для персонала при радиографическом контроле являются воздействие на организм ионизирующего излучения и вредных газов, образующихся в воздухе под воздействием ионизирующего излучения, и поражение электрическим током.

В связи с этим особое качество изделий закладывается уже на атомном и нано уровне формирования структуры металлов, сплавов и, в особенности, металла шва сварных соединений. Следовательно, с учетом вышеизложенного, необходимо разрабатывать методы неразрушающего контроля качества уже на стадии технологических процессов изготовления изделий, в частности, со сварными соединениями, причем в основу метода автором положено явление акустической эмиссии(АЭ), обладающее принципиальной возможностью обнаружения дефектов в момент их возникновения.

Для достижения поставленной цели автором проведен обзор современного состояния отечественных и зарубежных работ по акустико-эмиссионному контролю сварных неразъемных соединений изделий в различных отраслях промышленности, обсуждены пути дальнейшего развития метода и его практического использования, сформулированы цель и задачи, решаемые в данной работе.

Детальный анализ дефектов различного структурного уровня позволил автору разработать математические модели, раскрывающие сущность процессов зарождения и развития трещиноподобных дефектов на всех этапах формирования сварного шва. Данные модели, защищенные именным авторским свидетельством и патентом, в последствие были положены автором в основу экспериментальных исследований.

Использование методов оптической, растровой и трансмиссионной электронной микроскопии высокого разрешения, рентгеноструктурного анализа, а также арбитражных методов неразрушающего контроля (рентгенография, капиллярная дефектоскопия, испытание на герметичность) позволило установить причины и определить условия, не допускающие зарождения опасных и недопустимых дефектов (трещин и непроваров).

С учетом выявленной автором закономерности появления дефектов, был разработан метод активной диагностики, позволяющий одновременно осуществлять регистрацию источников зарождающихся трещиноподобных дефектов в реальном масштабе времени, формировать на этой основе управляющие сигналы для корректировки параметров режима сварки с последующим устранением данных дефектов при использовании концентрированных потоков энергии излучения оптического квантового генератора. В завершении монографии автором предложено описание конкретной технологической установки, реализующей метод активной диагностики и внедренной в основное производство.

В монографии приведен широкий набор новых ценных как с научной точки зрения, так и для практического применения результатов. Наиболее важными научными и практическими достижениями монографии являются:

Разработка математической модели, устанавливающей связь между размерами трещиноподобных дефектов и условиями кристаллизации металла при разных режимах сварки.

Впервые по сигналам акустической эмиссии установлен акустический образ источников зарождения и развития непровара, который позволяет однозначно отделить этот процесс от трещинообразования. При этом разделение сигналов АЭ от процессов зарождения, формирования и развития непровара и процесса трещинообразования, зарегистрированных в одном и том же канале амплитудного анализатора, производится по числу импульсов АЭ (защищен Патентом на изобретение Российской Федерации № 2212030 «Способ обнаружения непровара»).

Отмечена высокая достоверность определения координат дефектов при контроле процесса сварки цилиндрических изделий (в Государственном комитете СССР по делам изобретений и открытий данные метод и устройство зарегистрированы как «Способ определения координат дефектов в сварных соединениях по сигналам акустической эмиссии» и получено Авторское свидетельство на изобретение № 1374123).

Доказано, что при воздействии концентрированных потоков излучения оптического квантового генератора, между свободными поверхностями в металле происходит формирование бездефектной кристаллической структуры с очень высокой степенью физической однородности на основе регулируемой самосборки моноатомных слоев в пространстве между свободными поверхностями с заранее заданными основными физико-химическими и механическими свойствами металла изделий. Таким образом, установлена принципиальная возможность устранения (проплавления) трещиноподобных дефектов в сталях аустенитного класса с использованием импульсного излучения оптического квантового генератора. Это позволит, в конечном итоге, обеспечить реальные физические и механические свойства металла изделий, а также их конструктивную прочность, на уровне расчетных (теоретических) значений .

Впервые разработана система активного управления качеством металла шва при сварке, не имеющая аналогов в мировой практике и состоящая из:

– системы приема и обработки информации;

– блока обратной связи;

– сварочного комплекса;

– контролируемого трубопровода;

– системы активного воздействия на источники зарождающихся трещин.

Сущность данной системы заключается в том, что перед управлением режимом сварки разделяют суммарный сигнал АЭ, несущий информацию о дефектах, на сигналы АЭ, характеризующие непровар и трещину. Образовавшиеся в процессе сварки зоны непроваров через систему обратной связи дополнительно проплавляют, а источники уже зарождающейся трещины в процессе сварки уничтожают мощным импульсом излучения оптического квантового генератора. При этом установлено, что амплитуда сигналов АЭ от компонентов процесса сварки и лазерного излучения существенно меньше, чем амплитуды сигналов АЭ от возникающих непровара и источников зарождающейся трещины. Полученные результаты могут быть с полной уверенностью положены в основу для разработки фундаментальных принципов метода прогнозирования и предотвращения аварий и техногенных катастроф. Данная система зарегистрирована в Государственном комитете СССР по делам изобретений и открытий и защищена Авторским свидетельством на изобретение.

К практической ценности можно также отнести то, что разработанная технология диагностики и предотвращения разрушения изделий при сварке позволит:

– оперативно проводить контроль качества сварных швов в процессе сварки в реальном масштабе времени;

– получать бездефектные сварные соединения в результате автоматической корректировки режима в ходе процесса сварки для устранения условий возникновения непровара, а также ликвидации источников зарождающейся трещины;

– использовать метод АЭ как штатный метод неразрушающего контроля сварных соединений;

– снизить трудоемкость изготовления изделий за счет исключения методов рентгенографии и ультразвукового контроля и операции устранения дефектов;

– улучшить условия труда за счет устранения вредного влияния рентгеновского излучения на организм обслуживающего персонала.

Полученные результаты в комплексе помогут обеспечить уже на стадии технологического процесса изготовления предельные значения параметров механических свойств и высокую степень физической однородности металла сварного соединения (практически полное отсутствие дефектов различного структурного уровня). Это, в свою очередь, позволит исключить возможность возникновения техногенной катастрофы изделия или объекта на стадии их эксплуатации.

Достоверность экспериментальных данных, обоснованность основных выводов базируется на результатах, полученных при реализации двух научно-исследовательских работ, утвержденных для своевременного выполнения государственного заказа на правительственном и международном уровнях. При этом основные данные, приведенные в монографии, опубликованы в виде 33 статей в периодических изданиях, рекомендованных ВАК (в центральной рецензируемой печати, в журналах Российской Академии наук (РАН), в зарубежной печати), а также защищены четырьмя авторскими свидетельствами и одним патентом на изобретения. Кроме того, они апробированы и изложены в 40 докладах на 36 конференциях различного структурного уровня, опубликованы в 11 ведомственных изданиях Министерства общего машиностроения СССР и в 5 отечественных Реферативных журналах, а также частично использованы в изданных ранее 2-х монографиях. Дополнительно результаты исследований получили высокую оценку у зарубежных специалистов и ученых, а автор А.М. Апасов удостоен престижных наград и премий США, Евросоюза и Англии (Кембридж).

С учетом вышеизложенного следует отметить, что уровень полученных научных результатов, включенных в монографию, представляет собой значительный вклад в разработку основ теории и технологии методов технической диагностики, неразрушающего контроля и материаловедения. Предлагаемые технические решения могут быть эффективно использованы в производстве. Монография будет полезна специалистам в области сварки и неразрушающего контроля, студентам и аспирантам металлургических и машиностроительных специальностей, а также сотрудникам научно-исследовательских организаций.

Комментарии

Издание "Активная диагностика разрушения и предотвращение техногенных катастроф" (Апасов А.М.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
ОРДЕНОМ "PRIMUS INTER PARES - ПЕРВЫЙ СРЕДИ РАВНЫХ"