Неразрушающие методы испытаний
ЛЕКЦИЯ 13. Неразрушающие методы испытаний (продолжение)
Методы, основанные на использовании ионизирующего излучения
Неразрушающий контроль с помощью ионизирующих излучений эффективно используют во всех областях народного хозяйства.
В настоящее время в строительстве широко применяют контроль рентгеновскими и гамма-излучениями для оценки физико-механических характеристик материалов и качества конструкций. При определении влажности материала оказывается целесообразным использование потока нейтронов.
Преимуществом применения ионизирующих излучений является возможность быстрого и четкого получения определяемых характеристик. Работа с соответствующей аппаратурой хотя и не сложна, но требует наличия подготовленного для этой цели персонала. Необходимо также тщательное соблюдение требований техники безопасности во избежание вредного влияния ионизирующих излучений на организм человека.
Область применения рентгеновского и гамма-излучений
Наиболее важные направления для исследования дефектов в металлических конструкциях следующие.
1. Дефектоскопия сварных соединений. На рис. 1 схематически показано просвечивание сварного шва. Наличие и положение дефекта выявляется на получаемом фотоснимке по более затемненному участку, воспроизводящему очертания отмечаемого дефекта.
а
б
Рекомендуемые материалы
Рис. 1. Выявление дефекта в сварном шве: а - схема просвечивания; 6 - эталон чувствительности (дефектометр); 1 - ионизирующий поток; 2 - наваренный металл шва; 3 - основной металл; 4 - дефект; 5 - фотопленка; 6 - эталон чувствительности
О величине его в направлении просвечивания судят сравнивая интенсивность вызванного им затемнения с затемнением, соответствующим пропилам разной глубины на эталоне чувствительности (рис. 1) из аналогичного материала, проецируемым на тот же снимок.
Глубина расположения дефекта выявляется смешением источника излучения параллельно фотопластинке.
Схема определения положения дефекта незначительной толщины показана на рис.2. При этом расстояние х от дефекта до поверхности снимка определяется из соотношения
, (3.6.)
где с, с' и F - размеры, показанные на рис. 2.
При дефектах одинакового размера и формы интенсивность потемнения будет наибольшей при совпадении направления дефекта с направлением просвечивания (рис.3, поз. 2).
При расположении дефекта под некоторым углом (рис.3, поз. 2') излучения будут пересекать его по меньшему протяжению. Минимальная длина до пересечения, а, следовательно, и наименьшая интенсивность потемнения, соответствует ориентировке дефекта перпендикулярно направлению просвечивания (рис.3, поз. 2").
Рис.2. Определение глубины расположения дефекта: 1 - просвечиваемый элемент; 2 - дефект. 3 - фотопленка; 4 и 4' - источник излучения в двух позициях; 5 и 5' - затемненные участки фотопленки; с - смешение источника излучения; с' - смешение центра заснятого изображения, F - фокусное расстояние; х - расстояние от фотопленки до горизонтальной оси дефекта.
Рис.3. К влиянию ориентации дефекта:
1 - просвечиваемый элемент; 2,2', 2" - различные ориентации дефекта;
3 - источники излучения; 4 - направления просвечивания
Дефекты незначительной толщины могут при этом остаться и необнаруженными. Отсюда следует важный вывод, что при применении ионизирующих излучений могут быть пропущены серьезные дефекты, но с малым раскрытием в направлении просвечивания (например, расслоение металла). Во избежание этого просвечивание следует производить по двум несовпадающим направлениям.
В то же время именно перпендикулярные к заданному направлению дефекты наиболее четко устанавливаются ультразвуковыми методами, поскольку даже самые незначительные воздушные прослойки почти полностью гасят волны ультразвуковых колебаний. Оба метода контроля - ультразвуковой и с помощью ионизирующих излучений - таким образом, дополняют друг друга.
2. Определение напряженного состояния металла. Зная длину волны монохроматического рентгеновского излучения и угол падения его лучей на поверхность проверяемой детали, можно на основании замеров на соответствующих рентгенограммах вычислить основной параметр кристаллической структуры исследуемого материала - расстояние между центрами атомов в его кристаллической решетке. Сопоставляя полученное значение с величиной того же параметра в ненапряженном состоянии, можно определить упругую деформацию материала.
Таким образом, может быть выделена (что без нарушения сплошности неосуществимо другими методами) упругая составляющая деформированного состояния металла: в сварных швах после их остывания, в зонах резких перепадов напряжений, в деталях, обработанных давлением, например гнутых профилях, и т. д. Измерения при этом производятся (что также очень существенно) на весьма малых участках поверхности (порядка десятых долей мм2).
Однако рассматриваемый метод требует применения сложной аппаратуры и большой тщательности всех измерений. В то же время напряжения могут быть оценены лишь со сравнительно незначительной точностью (для стали - порядка 100-200 кгс/см2).
Приборы неразрушающего контроля нового поколения
В последние годы в России отечественными учеными создан целый комплекс малогабаритных электронных приборов неразрушающего контроля и неразрушающей дефектоскопии, которые позволяют:
- определять влажность, температуру и коэффициент теплопроводности различных материалов, из которых изготовлены строительные конструкции;
- выявлять наличие микротрещин, выходящих на поверхность металлоконструкций, ферромагнитных деталей и сварных швов;
- косвенно контролировать прочность бетона, толщину защитного слоя и диаметр арматуры в железобетонных конструкциях.
Факультативно
Основы моделирования строительных конструкций и сооружений
Моделирование основано на подобии процессов и явлений, протекающих в разных агрегатах.
С точки зрения физической природы моделируемых явлений различают два вида подобия:
- математическое (одинаковая форма уравнений, описывающих физически разнородные явления);
- физическое (одинаковая физическая природа подобных явлений).
По полноте соответствия модели натуре указанные виды подобия делятся:
- абсолютное (требует тождества явлений);
- полное (осуществляется во времени и пространстве);
- неполное (во времени или в пространстве);
- приближенное (связано с упрощающими допущениями, заведомо известными и оцениваемыми количественно).
По природе явлений физическое подобие можно разделить:
- механическое (сумма кинематического, материального и динамического подобий);
- газодинамическое, тепловое;
- электрическое, физико-химическое и др.
Примерная классификация видов подобия при моделировании процессов приведена на рис. 4. Таким образом, сущность инженерного моделирования состоит в том, что натурный объект на основе принципов теории подобия заменяется его аналогом-моделью.
Теоретическая основа моделирования - теория подобия, которая устанавливает определенные соотношения между геометрическими размерами, свойствами материалов, нагрузками и деформациями модели и натурной конструкции.
Рис. 4. Классификация видов подобия
Все виды подобия подчиняются трем теоремам.
Первая теорема указывает необходимые условия подобия и формулирует свойства подобных систем: явления или системы называются no-зобными, если равны их соответствующие критерии подобия, составленные из параметров системы.
Вторая теорема подобия (-теорема) доказывает возможность приведения уравнения процесса к критериальному виду: функциональная связь между характеризующими процесс величинами может быть представлена в виде зависимости между составленными из них критериями подобия.
Третья теорема подобия показывает пределы закономерного распространения единичного опыта: необходимыми и достаточными условиями подобия являются пропорциональность сходственных параметров, входящих в условия однозначности, а также равенство критериев подобия изучаемого в натуре и на модели явления.
К условиям однозначности относятся не зависящие от механизма явления факторы системы: геометрические свойства; физические параметры; начальные условия; начальное состояние; граничные или краевые условия; взаимодействие с внешней средой. Если рассматриваются сложные, нелинейные или анизотропные системы, то необходимо соблюдать и ряд дополнительных положений.
Практические задачи моделирования
На практике моделирование даст возможность очень эффективно решать большое число довольно сложных задач:
1. Выявить экспериментальным путем при минимальных затратах материала, трудоемкости и стоимости действительную картину распределения усилий во всех характерных сечениях и узловых сопряжениях элементов конструкций.
2. Произвести экспериментальным путем анализ напряженного состояния сложного сооружении взамен аналитического расчета, когда методы строительной механики и теории упругости неприемлемы.
3. Проверить правильность гипотез, положенных в основу аналитического расчета.
4. Уточнить расчетную схему сооружения.
5. Определить характер разрушения и разрушающую нагрузку.
Обратите внимание на лекцию "26 БССР в годы новой экономической политики (НЭП)".
6. Определить реальный запас прочности сооружения.
7. Установить влияние различных факторов на работу конструкции - свойств материалов, условий сопряжении, податливости основания и др.
При этом для новых сложных и малоизученных сооружений исследование может вестись в несколько этапов:
1) расчет на ЭВМ с применением математического моделирования юн исследования маломасштабной модели (1/10... 1/20);
2)исследование крупномасштабной модели (1/2... 1/5);
3)натурные испытания сооружения или его отдельных узлов и элементов с практическим использованием либо физического, либо аналогового, либо математического моделирования с применением поляризационно-оптических методов или голографических моделей.