Датчик электрохимических усталостных трещин

Датчик электрохимического усталостного растрескивания ( EFCS ) — это недорогой метод электрохимического неразрушающего динамического контроля, используемый в основном в аэрокосмической и транспортной инфраструктуре . Метод используется для обнаружения поверхностных и небольших подповерхностных дефектов во всех металлических материалах. ^{[ 1 ]} В конструкциях мостов EFCS используется в известных местах, подверженных усталости, таких как остроугольные балки с выступами, крепления стрингеров к балкам и места сварных швов. Это динамическое испытание может быть формой краткосрочного или долгосрочного мониторинга, пока конструкция подвергается динамической циклической нагрузке.

История

В 1992 году доктор Кэмпбелл Лэрд и доктор Юаньфэн Ли изобрели EFS™. EFS™ основан на запатентованном электрическом тесте. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} метод, который контролирует ток на поверхности металла во время его механического изгиба. Выходной ток напоминает картину ЭКГ сердца и может быть интерпретирован как показатель степени усталости, а также наличия трещин на самых ранних стадиях развития. Технология, лежащая в основе EFS, была разработана исследователями ВВС США и Пенсильванского университета для использования в аэрокосмической промышленности. Первоначальное исследование было направлено на разработку технологии обнаружения проблемных трещин в планерах и двигателях. С тех пор дополнительные исследования и разработки привели к адаптации системы EFS для проверки стальных мостов. ^{[ 4 ]}

Принципы

Электрохимический датчик усталости (EFS) — это технология неразрушающего динамического контроля трещин, по своей концепции аналогичная медицинской ЭКГ , которая используется для определения наличия активно растущих усталостных трещин. Датчик EFS сначала прикладывается к чувствительному к усталости месту на мосту или металлической конструкции, а затем в него вводится электролит , после чего подается небольшое напряжение. Впоследствии система отслеживает изменения в реакции тока, возникающие в результате воздействия свежей стали во время распространения трещины. Система EFS состоит из электролита, матрицы датчиков и модифицированного потенциостата, называемого каналом передачи данных потенциостата (PDL), для подачи постоянного поляризующего напряжения между мостом и датчиком, а также программного обеспечения для сбора и анализа данных. ^{[ нужна ссылка ]}

Текущий отклик массива датчиков, состоящего из датчика измерения трещин и эталонного датчика, собирается, анализируется и сравнивается с системным программным обеспечением. Данные представлены как во временной, так и в частотной области. Алгоритм, специально написанный для этой системы, автоматически указывает уровень активности усталостных трещин в месте контроля. EFS может обнаружить трещины размером до 0,01 дюйма в реальной конструкции (слишком маленькие, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом). ^{[ нужна ссылка ]}

Материалы

Первоначальное исследование EFS было направлено на разработку технологии обнаружения проблемных трещин в планерах и двигателях. ^{[ 5 ]}

Марка 5, также известная как Ti6Al4V, Ti-6Al-4V или Ti 6-4, является наиболее часто используемым титановым сплавом в аэрокосмической промышленности, например, двигателей внутреннего сгорания в шатунах . Его химический состав состоит из 6% алюминия , 4% ванадия , 0,25% (максимум) железа , 0,2% (максимум) кислорода и остального титана. и оставшаяся часть титана. Примечательно, что Grade 5 значительно прочнее, чем технически чистый титан, но при этом имеет ту же жесткость и тепловые свойства (за исключением теплопроводности , которая примерно на 60% ниже у Ti Grade 5, чем у CP Ti). Одним из его заметных преимуществ является возможность термообработки . Этот сорт демонстрирует исключительное сочетание прочности, коррозионной стойкости, свариваемости и технологичности. Обычно он находит применение при температурах до 400 градусов по Цельсию.

(Марка 5 имеет плотность около 4420 кг/м3, модуль Юнга 110 ГПа и предел прочности 1000 МПа. Для сравнения, отожженная нержавеющая сталь типа 316 имеет плотность 8000 кг/м3, модуль упругости 193 ГПа и предел прочности при растяжении. прочность всего 570 МПа, а закаленный алюминиевый сплав 6061 имеет плотность 2700 кг/м3, модуль упругости 69 ГПа, предел прочности 310 МПа). EFS обнаруживает растущие трещины в стали, алюминии, титановых сплавах и других металлах.

Этапы проверки

Ниже приведены основные этапы использования электрохимических датчиков усталости на мосту:

1. Определение критических областей:

Чтобы использовать EFS на мостах, инспекторы сначала выявляют уязвимые части моста. Это могут быть участки, наиболее подверженные износу, например балки с острыми углами, крепления стрингеров к балкам или кончики сварных швов. Это также могут быть места, где владельцы мостов уже подозревают наличие трещины.

2. Установка датчиков:

Зона наблюдения должна быть чистой и свободной от каких-либо сыпучих материалов. (Краску не нужно полностью удалять, как при установке других датчиков.) Инспекторы подключают участки с датчиками, которые аналогичны версиям с отслаивающимися стенками, используемым для снятия показаний ЭКГ. Массив датчиков состоит из датчика измерения трещин и эталонного датчика.

3. Подайте постоянный ток:

В датчики впрыскивается жидкий электролит, который облегчает подачу постоянного электрического тока между датчиками и мостом.

4. Мониторинг:

Система отслеживает изменения в токовой реакции, возникающие в результате воздействия свежей стали во время распространения трещины.

5. Интерпретация данных:

Текущий отклик массива датчиков быстро и четко показывает, существует ли растущая трещина в месте проверки. А поскольку устройство работает во время эксплуатации моста, оно может определить, как изменяются трещины по мере изгиба конструкции под нагрузкой. Данные представлены как во временной, так и в частотной области. Алгоритм, специально написанный для этой системы, автоматически указывает уровень активности усталостных трещин в месте контроля. Система может обнаруживать трещины размером до 0,01 дюйма в реальной конструкции.

См. также

Неразрушающий контроль

Ссылки

^ «Контроль усталостных трещин на мосту CN с использованием электрохимического датчика усталости» (PDF) . Проверено 19 июня 2013 г.
^ «Патент №6026691» . Архивировано из оригинала 18 февраля 2014 года . Проверено 9 августа 2018 г.
^ «Патент №7572360» . Архивировано из оригинала 18 февраля 2014 года . Проверено 9 августа 2018 г.
^ Мошир, Монти А.; Нельсон, Леви; Бринкерхофф, Райан; Мичели, Мэрибет (15 апреля 2016 г.). «Непрерывный мониторинг усталостных трещин мостов: датчик долгосрочной электрохимической усталости (LTEFS)» . В парке, Кюхэ (ред.). Активные и пассивные интеллектуальные структуры и интегрированные системы 2016 . Том. 9799. ШПИОН. стр. 97990F. дои : 10.1117/12.2219633 . S2CID 124972746 . Проверено 9 августа 2018 г.
^ Моррис, В.Л., Джеймс, М.Р., Кокс, Б.Н. (1988), Механика возникновения усталостных трещин в металлических конструкциях самолетов, отчет № NADC-89044-60, Международный научный центр Роквелла.

Внешние ссылки

Демонстрация системы электрохимического датчика усталости на объекте Центра транспортных технологий [1]
Контроль усталостных трещин на мосту CN с использованием электрохимического датчика усталости [2]
Демонстрация электрохимического датчика усталости на стальном мосту на быстрой скорости [3]

[1] «Контроль усталостных трещин на мосту CN с использованием электрохимического датчика усталости» (PDF) . Проверено 19 июня 2013 г.

[first-2] «Патент №6026691» . Архивировано из оригинала 18 февраля 2014 года . Проверено 9 августа 2018 г.

[second-3] «Патент №7572360» . Архивировано из оригинала 18 февраля 2014 года . Проверено 9 августа 2018 г.

[third-4] Мошир, Монти А.; Нельсон, Леви; Бринкерхофф, Райан; Мичели, Мэрибет (15 апреля 2016 г.). «Непрерывный мониторинг усталостных трещин мостов: датчик долгосрочной электрохимической усталости (LTEFS)» . В парке, Кюхэ (ред.). Активные и пассивные интеллектуальные структуры и интегрированные системы 2016 . Том. 9799. ШПИОН. стр. 97990F. дои : 10.1117/12.2219633 . S2CID 124972746 . Проверено 9 августа 2018 г.

[forth-5] Моррис, В.Л., Джеймс, М.Р., Кокс, Б.Н. (1988), Механика возникновения усталостных трещин в металлических конструкциях самолетов, отчет № NADC-89044-60, Международный научный центр Роквелла.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]