Что такое опасный дефект?

 

Грубо - это несплошность металла такого критического размера, превышение которого ведёт к разрушению шва.

Принято считать, что опасность дефекта повышается в ряду: «объёмный – объёмно-плоскостной – плоскостной».

Количественная характеристика степени опасности дефекта - геометрический коэффициент концентрации напряжений – (ККН)_геом

отношение двух размеров дефекта, - максимального L_mах к минимальному L_min; его можно принять за относительный градиент дефекта, или – коэффициент его формы:

Г_ф = L_mах / L_min ………………………… (1)

 

В методическом обеспечении УЗК-прибора «Сканер-Скаруч» [1], коэффициент формы дефекта определён несколько иначе;

под "объемными, плоскостными, объемно-плоскостными" дефектами подразумеваются дефекты со следующими параметрами

коэффициента формы:

Q = 0.5 * b / h, …………………….…… (2)

где: h - диаметр закругления вдоль вертикальной составляющей сечения шва (толщины). Если h → ∞, дефект считают плоскостным.

b - диаметр закругления перпендикулярно вертикальной составляющей сечения шва.

Диапазоны значений коэффициента формы и соответствующие этим значениям дефекты (реальные и искусственные), тип дефекта и обозначение типа дефекта на распечатке даны в Таблице.

Таблица

№	ДЕФЕКТЫ	Коэффициент формы Q	Коэффициент формы Гф = 1/ Q = Lmах / Lmin	Класс (тип) дефекта, Обозначение
	реальные	искусственные
	Пора, шлаковые Включения.	Боковое сверление, вертикальное сверление до ∅ 3 мм, закругления краев паза.	0.15....0.50	0.5…6.67	Объемный “О”
	Острые шлаковые включения, несплавление, подрез, сочетание дефектов п.1 и п.3, свищ.	Пропил (паз) и «зарубки» глубиной до 1.3 мм, эллипсные дефекты, вертикальные сквозные сверления, боковые сверления свыше ∅ 3 мм, плоскодонные сверления до ∅ 1.5 мм, глубокие (свыше 2.5 мм) закругления краёв паза.	0.08...0.15	6.67…12.5	Объёмно-Плоскостной: “ОП”, “#” Свищеобразный, “S”
	Непровар, трещина, острое несплавление, острый подрез.	Пропил (паз) с плоскими гранями, плоскодонные сверления, «зарубки».	0......0.08	12.5…∞	Плоскостной вдоль “–”, плоскостной поперёк “|”

 

Из данных Таблицы видно, что коэффициент формы дефекта, меняясь более чем на один-два порядка, очевидно, в аналогичной мере обостряет эффективность разрушающего действия дефекта при одном и том же его среднем размере.

Однако, для отображения степени опасности дефекта критерием по его «геометрической» составляющей обострения, получившая в механике разрушения термин «насечка», более естественна величина, обратная Q - большему значению критерия опасности дефекта должно соответствовать большее значение его коэффициента формы Гф:

Г_ф = Q = 0.5* h / b - мера относительной опасности дефекта по коэффициенту его формы, определённой в (1).

 

Т.о.,отвечая на вопрос о степени опасности дефекта по его коэффициенту формы – более точно:

Опасный дефект – это такая несплошность металла шва (и его ЗТВ), которая характеризуется её параметрически-задаваемой величиной - максимально допустимого значения произведения максимального размера дефекта L _mах на его относительный градиент Г, или коэффициент формы Г_ф для безопасной эксплуатации ОК под данным уровнем его рабочих напряжений σ:

{[Г_ф·L_mах]_max} _{σ …………………………….. (3)}

В УЗК сварных швов размер дефекта принято соотносить с характерным размером в задаче контроля ОК. Для трубных ОК это толщина стенки трубы – S. В таком случае, получаем безразмерную формулировку критерия относительной опасности дефекта К _{ф, д} по его размеру и форме для сварного соединения трубы с толщиной стенки S:

К _{ф, д} = S^-1·Г_ф· L_д , ……………… (4)

где Г_ф = Г – принципиально, коэффициент формы дефекта есть не что иное как геометрический градиент дефекта.

 

Наиболее опасные дефекты – трещины. Их градиент максимален среди всех других дефектов.

Оценим прядок величины относительной опасности трещины по критерию опасности дефекта, используяпонятие параметра решётки а = 1 А° (ангстрем, = 10^-10 м), как минимально возможного размера трещины.

Очевидно, чтосилы межатомного самосцепления (когезии) решётки атомов / ионов, образующих её, теряют своё значение на расстояниях порядка 2а. Тогда максимальное значение параметра Г_ф для трещины:

Г_{ф, трещ} = L_трещ / 2а …………………...…… (5)

и, при минимальном её раскрытии, составит 0,5·10¹⁰· L_трещ.

Примем, что при проведении УЗК сварного шва трубы с толщиной стенки 1 см (= 10^-2 м) найдена трещина длиной 1 мм (= 10^-3м) с неизвестной величиной своего раскрытия, расчёт по формуле критерия относительной опасности дефекта – в данном случае, трещины, показывает, что:

К_ф,трещ = S^-1·Г_ф,трещ· L_трещ = 10²· (10^-3 ·0,5·10¹⁰)· 10^-3 = 5·10⁵ = 57 дБ

Вот почему всеми нормативными документами всех отраслей промышленности трещины в сварных соединениях признаны

не допустимыми – ни по величине их раскрытия, ни по их размерам, ни по их ориентации по отношению к главным действующим напряжениям сварного шва ОК под нагрузкой.

 

Наличие магистральной трещины считается фактом состоявшегося разрушения шва.

Трещины меньших размеров при эксплуатации объекта контроля под напряжениями со временем только растут. И тем быстрее, чем интенсивнее работает шов под более высоким уровнем рабочих напряжений.

 

С точки зрения концепции самопроизвольной концентрации напряжений вблизи больших геометрических скачков границ ОК – как внешних, так и внутренних ОК – в качестве аналогии – полезно обратить внимание на смежную область машиностроения – «Детали машин».

Переходные участки валов и осей (галтели, канавки, фаски) имеют большое влияние на их прочность и выносливость.

Форма и размеры переходных участков (галтелей) между соседними ступенями разных диаметров оказывает концентрирующее действие циклических (волновых) напряжений. Для уменьшения концентрации напряжений галтели переходных участков должны иметь возможно большие радиусы.

Фактически, тот же параметр, геометрический коэффициент концентрации напряжений – (ККН)_геом – Гф – имеет основополагающее значение для длительной прочности / несущей способности материала валов и осей в машиностроении, и сварных швов – при эксплуатации сварных ОК под напряжениями. Очевидно, что:

Гф = R_вал / R_гал, …………………….…… (6)

где R_вал – радиус вала; R_гал – радиус галтели, обеспечивающий переход смежных диаметров вала.

 

Кроме того, для реализации длительной прочности деталей машин и сварного шва имеет место влияние качества их поверхности (шероховатость, наклёп, коррозионное состояние) на их эксплуатационные свойства. Повышенная шероховатость поверхности снижает прочностные характеристики долговечности металла независимо от вида напряженного состояния и температуры. Параметр Гф принимает очевидное отношение:

Гф = k·R_z, ………………………………..… (7)

где k = 1/R – кривизна контролируемой поверхности, R_z – её шероховатость.

 

Для внешнего дефекта облицовки сварного шва – «грубая чешуя» - существуют понятия:

· «превышение высоты над смежной с ней впадиной»,

· западаний между валиками,

· подрезы,

опасная сущность которых может прояснить всё тот же параметр (ККН)геом, или относительный градиент дефекта Гф, увеличивающий уровень напряжённого состояния поверхности и подповерхности непосредственной области поверхностного дефекта ОК.

Для данного случая имеем:

Гф = δ| / δ_—, …………………………….…………… (8)

где δ| - превышение высоты над впадиной, мм

δ_— - расстояние меду ними, мм.

Так, в [2] – п.4.1.8, Табл. 4.1, 4.3 – даны нормы предельно допустимых поверхностных дефектов сварных швов. Их Гф ориентировочно оценивается значениями в диапазоне до 3 крат. Дальнейшее увеличение Гф, по данным нормативного документа [2] не допускается.

 

Работа параметра «относительный градиент дефекта Гф» заметна и по чугуну с различной формой существования в нём графита: пластинчатый графит в чугуне делает его хрупким и непрочным по сравнению с шаровидным [3].