專利名稱：產生缺陷和殘余張應力的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在試樣內產生受控的缺陷和殘余應力的方法。
在操作期間，例如熱疲勞裂紋等缺陷可能會出現(xiàn)在如核電站的不同元件內。使用非破壞性測試(NDT)方法，用來在定時間隔的檢測中檢測預先確定的閥門、管道、管的連接部分等等。在現(xiàn)場檢測過程中，由于所使用的方法和進行檢測人員的原因，總是出現(xiàn)不準確現(xiàn)象。包含有與真實裂紋類似的人造裂紋的試樣被應用于NDT測試方法和被提供給檢測者。對非破壞性測試材料的可靠性所進行的國際PISCI、II和II研究已經指出在缺陷的檢測和定義中的明顯不足，并且表明需要進行鑒定。
例如，在檢測核電站中要求鑒定。已經發(fā)布了鑒定NTD檢測核電站的規(guī)定(在美國，機械工程師協(xié)會代碼部分XI，在歐洲，NRWG和ENIQ)，按照此規(guī)定，設備、試樣、操作過程和檢測人員應該是合格的。
根據歐洲的鑒定程序，試樣的尺寸(直徑、壁厚等)應該與要被檢測的真實目標一致。同時試樣的其它特征，例如材料、形狀、表面質量、制造方法和焊縫位置也必須與工廠中的實際元件一致。缺陷的類型、形狀、尺寸、位置、走向和開口必須與自然缺陷密切地一致。在鑒定試樣中缺陷的特性對于整個鑒定程序是很重要的。使用具有與自然缺陷盡可能相同的缺陷的試樣能確保，鑒定程序可以用所期望的精度來檢測和定義這種缺陷。對人員進行鑒定的測試決定檢測者是否能足夠精確地檢測和定義缺陷。
目前，已經知道在試樣上產生不同類型的缺陷和裂紋的方法。在這些眾所周知的方法中，通常通過焊接將一人造裂紋移植到試樣中，制造一個焊接缺陷，或在試樣上機加工出凹口。日本公開的專利申請JP57-034439介紹了一種可以在一板形件的表面上產生裂紋的方法。另外，日本公開的專利申請JP58-055752介紹了一種制造人造裂紋的方法，其中，在兩個試樣之間的接頭的表面機加工出一孔，此后將兩個試樣連接在一起。第三個公開的日本專利申請JP8-219953介紹了一種制造缺陷的方法，即在試樣上機加工出凹槽，并在凹槽內填充具有與試樣材料不同的聲學特性的材料。目前沒有一種方法能夠在任何形狀的試樣上、任何位置產生任何所期望走向和形狀的缺陷。在鑒定時，產生與真實情況相同的裂紋是一個核心的問題。
美國專利US5,013,370介紹了一種產生殘余張應力狀態(tài)的方法，其中，通過冷卻試樣的一個表面并且局部加熱該表面的相反表面，來產生殘余張應力。在上文中所介紹的發(fā)明要求被檢測的物體或試樣至少具一無應力的區(qū)域，在此情況下可以產生殘余張應力狀態(tài)。直接對該區(qū)域加熱，如果在一個以上的區(qū)域產生殘余張應力，則每個區(qū)域的初始狀態(tài)必須都是無應力的。
在所述的公開文獻中，加熱和冷卻是在零件彼此相反的表面上進行。這種安排會在被處理的區(qū)域內產生一不受控制的張應力狀態(tài)。根據所述專利中，例如利用侵蝕性的裂紋促進環(huán)境，如沸騰的氧化鎂溶液、高溫下的充氧水等，能在一張應力的誘發(fā)區(qū)域產生一裂紋。
與美國專利US5,013,370不同，本發(fā)明能用于產生一所需的受裂紋或一受控的殘余應力狀態(tài)(張應力或壓縮應力)，而對環(huán)境或應力狀態(tài)沒有要求。因為在本發(fā)明中不是對試樣的不同側面進行加熱/冷卻，所以對試樣的形狀和尺寸也沒有要求。此外，對試樣內初始狀態(tài)的殘余應力也沒有要求。
本發(fā)明上述和別的優(yōu)點和益處將通過一種方法來獲得，該方法的特征將在權利要求書中進行介紹。
本發(fā)明的基本思想是重復地交替地對試樣加熱和冷卻，也就是使它產生熱疲勞，因此產生與自然裂紋相同的裂紋，或一期望的受控的殘余應力狀態(tài)。
通常需要指出的是，利用上文所公開的方法所引發(fā)的裂紋與自然裂紋不一致，當制造這種用于鑒定的試樣時，這是明顯的缺陷。目前是通過如下方法在鑒定的試樣上產生裂紋的將具有裂紋的零件焊接成一個試樣或在一試樣上焊接出一熱裂紋，或簡單地在試樣上機加工出凹口。通過焊接而被移植的裂紋可以是自然的并來自真實的零件，即在操作中具有裂紋的真實的零件，也可以是在不同試樣中被人為制造出的。無論被移植的裂紋是如何產生的，移植所產生的焊縫將保持在材料上。熱裂紋是通過如下方法制造出的在試樣上機加工出一窄槽，隨后通過焊接將所述窄槽封閉，在上述焊接時將采用使焊縫在所期望方向上產生裂紋的參數。使用這些方法在試樣上所焊接的接頭可以輕易地利用NDT檢測方法進行檢測。被機加工出的凹口的寬度和進展與自然缺陷的寬度和進展不一致。
所研究的方法可以用于在試樣上的任何位置靈活地制造類似于自然缺陷的裂紋，而不論形狀和尺寸。裂紋直接形成試樣的表面上。不要求裂紋引發(fā)劑(被機加工出的凹口等)。裂紋在試樣表面上生長，材料不會經歷可以能被NDT方法檢測出的微小結構變化或別的變化。這是顯著的優(yōu)點，因為在使用被移植或被焊接的裂紋時，檢測者可能會注意到試樣上的焊縫并在同一區(qū)域警覺地更仔細地檢查裂紋。利用已被研究的方法所產生的裂紋在某些項目上與自然裂紋完全一致，例如裂紋的傳播和分支和裂紋尖端的曲率，所有這些例如都會影響到在超聲波檢測中所接收的信號以及對它們的解釋。
已被研究的方法是基于熱疲勞現(xiàn)象和對熱疲勞的新的應用。熱疲勞現(xiàn)象作為一種公知的現(xiàn)象已經有很長的時間了，特別是在高溫下使用的材料。在熱疲勞中快速的加熱和冷卻的循環(huán)導致試樣上溫度急劇地變化，導致根據材料熱膨脹系數的應力和應變循環(huán)，最終造成疲勞損壞。
使用被研究的方法制造出的裂紋適于用在NDT鑒定的試樣中。可以根據下列要求制造裂紋。
裂紋的形態(tài)與自然裂紋充分一致，當使用NDT程序鑒定時，具有一類似于自然裂紋的反應。
所述方法可以用于制造單個裂紋和裂紋網絡單個裂紋的走向可以被改變可以制造不同尺寸和形狀的裂紋，而不受試樣材料厚度的影響如果不計劃在測試后毀壞試樣，在疲勞循環(huán)期間或疲勞參數的基礎上，要被制造的裂紋的尺寸可以被估算加熱和冷卻的圖案可以被改變，以便使裂紋在所期望的方向生長。
下文將結合附圖
對本發(fā)明的操作進行介紹，所述附圖顯示了加熱和冷卻的安排。用數字1表示強制冷卻(使用液體或氣體進行冷卻)，用數字2表示加熱，用數字3表示加熱圖案(等溫線)。
按照附圖進行安排，這樣加熱器2用于將表面加熱到所期望的溫度，此后，表面被冷卻1到一較低的溫度。在加熱期間，出現(xiàn)一取決于熱量輸出和加熱時間的加熱圖案3，圖案的形狀會影響所產生缺陷的走向。
借助于下列示例，介紹本發(fā)明的操作。
示例1
在一根管上制造一單獨裂紋或幾個單獨的平行裂紋，所述管與核電站中所使用的相同。加熱圖案被定形為，即對管來說，是一較長尺寸的圓周形。這導致裂紋在管的軸向生長。加熱和冷卻周期都是30秒。在測試期間，最大溫度大約是700℃，最小溫度大約是10℃。強迫冷卻被用于阻止加熱圖案由于熱傳導而擴散。在強迫冷卻過程中，冷卻水被連續(xù)地引導到被加熱區(qū)域的兩側，在加熱周期內也同樣。
全部循環(huán)次數是6500，加熱和冷卻一次包括在一次循環(huán)內。在這個循環(huán)數量，試樣上形成的微裂紋已經長大成三維方向的裂紋。
根據本發(fā)明的方法用于在母材上形成一單獨的裂紋或多個裂紋。
示例2本方法用于在管子的焊縫上制造一裂紋或多個裂紋，這些裂紋是在管子的內表面上被制造出的。
加熱圖案是用如下方式形成的，即它在焊縫的根部焊道上方延伸，它的中心點接近根部焊道。在校準時，加熱時間是6秒，可以獲得700℃的加熱溫度。冷卻時間為10秒。在測試期間，進行17803次循環(huán)。進行滲透試驗，顯示裂紋已經在焊縫的兩側形成。除了上述的裂紋，一單獨的不沿根部焊道上方延伸的裂紋在垂直于焊縫的方向生長。
該方法可以用于制造具有與自然裂紋相同性質的裂紋，所述裂紋可以用于試樣的鑒定。方法可以被用于生長熱疲勞的網絡裂紋和單獨裂紋，對所制造的裂紋進行超聲波檢測顯示，裂紋對檢測程序的反應與真實的一致。
已經用上述示例的方式使用該方法。此外，該方法也可以用來在試樣上產生殘余應力。，殘余應力也可以通過在試樣所需的區(qū)域內進行熱循環(huán)來產生，同時永久殘余應力狀態(tài)將出現(xiàn)在試樣內。在循環(huán)期間，殘余應力狀態(tài)的改變取決于所使用的加熱和冷卻參數。
應該指出的是，本發(fā)明并不局限于上述示例，可以在權利要求和本發(fā)明思想的范圍內進行各種變化。
權利要求
1一種用于在試樣上制造人造缺陷和/或殘余應力的方法，其特征在于，被測試的物體被連續(xù)地加熱和冷卻，以便產生缺陷和/或殘余應力。
2如權利要求1所述的方法，其特征在于，通過形成加熱圖案和/或冷卻圖案，來產生所需形狀的缺陷和/或殘余應力。
3如權利要求2所述的方法，其特征在于，通過冷卻位于所期望圖案的區(qū)域之外的試樣，來控制加熱圖案的形狀。
4如權利要求1所述的方法，其特征在于，利用足夠數量的順序交替的加熱和冷卻循環(huán)，來獲得熱疲勞損害。
5如權利要求1所述的方法，其特征在于，上述缺陷在沒有初始缺陷或其它成核劑的條件下生長。
6如權利要求1所述的方法，其特征在于，利用加熱和冷卻輸出、加熱和冷卻的持續(xù)時間和熱循環(huán)的次數，來控制所制造缺陷和殘余應力的大小。
全文摘要
一種用于在不同種類的試樣上制造與自然缺陷和殘余應力一致的受控的缺陷和殘余應力的方法。與自然缺陷相同的缺陷用來符合非破壞性測試(NDT)方法。該方法使用連續(xù)重復的加熱－冷卻循環(huán),以便產生缺陷和殘余應力。加熱和冷卻圖案的形狀、加熱和冷卻的持續(xù)時間周期和熱循環(huán)的次數用來控制所獲得的缺陷和殘余應力的大小。該缺陷在沒有初始缺陷或別的成核劑的條件下生長。在形態(tài)和使用NDT方法所獲得的信號方面,缺陷與自然缺陷一致,適于在例如NDT鑒定程序中使用。
文檔編號G01M99/00GK1326548SQ99813334
公開日2001年12月12日 申請日期1999年11月16日 優(yōu)先權日1998年11月16日
發(fā)明者凱·埃爾溫, 漢努·漢尼寧, 米卡·肯皮寧, 佩卡·薩里寧, 伊爾卡·維爾庫寧 申請人:赫爾辛基理工大學