Массивные морские сооружения, такие как нефтяные вышки и ветряные турбины, спроектированы таким образом, чтобы противостоять бесчисленным наказаниям, которые океан обычно наносит. Однако со временем сама соленая вода может значительно снизить долговечность сварных швов конструкции.
Вот почему профессора Майкл Йоахим Андреассен из Технического университета Дании (DTU) и Жэньчжэнь Ю из Колорадской горной школы используют нейтронный анализ в Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики (DOE) для проверки более совершенного метода исследования. Нейтроны обладают высокой проникающей способностью - в большей степени, чем рентгеновские лучи - и могут зондировать практически любой материал неразрушающим образом.
Система нейтронного картирования остаточных напряжений (NRSF2) в реакторе изотопных изотопов ORNL с высоким потоком - пользовательское учреждение Управления науки Министерства энергетики США - позволяет исследователям изучать качество своих сварных швов в атомарном масштабе. Выводы команды могут привести к более быстрым и экономичным методам производства, а также к значительно более прочным и долговечным сварным швам.
«Мы изучаем остаточные напряжения в действительно огромных конструкциях, - сказал Андреассен, - особенно в моноблоках большого размера - огромных стальных цилиндрах, которые образуют подводный фундамент для ветряных турбин . Мы хотим изучить взаимосвязь между остаточным напряжением и различной толщиной стальных листов. используется в строительстве, сравнивая два разных метода сварки ».
Как правило, остаточные напряжения - это напряжения, которые остаются в структуре сварного шва после снятия приложенных нагрузок или давлений. В некоторых случаях остаточные напряжения могут привести к преждевременным отказам, таким как трещины или утечки. Они могут быть вызваны несколькими факторами, такими как колебания температуры, воздействие вредных химикатов или усталость металла, вызванная многократно применяемыми нагрузками.
По словам Андреассена, стальные пластины, используемые для изготовления моноблоков, могут иметь толщину до 130 миллиметров. Обычно они свариваются вместе с использованием традиционного метода, называемого дуговой сваркой под флюсом, когда электрические дуги используются для плавления соединяемых материалов. При этом расплавленный шов или сварочная ванна постоянно «погружается» или покрывается гранулированным флюсом из различных соединений, используемых для поддержки сварного шва и защиты его от атмосферных загрязнений.
Сварка под флюсом имеет ряд преимуществ. Среди прочего, этот метод производит меньше примесей, искр и токсичных паров, чем аналогичные методы. Однако, по словам Андреассена, существуют и значительные трудности.
«Вы должны удалить много материала, чтобы выполнить сварной шов, а затем добавить присадочный материал. Удаление и добавление материалов требует больших затрат, и, в конце концов, у вас есть действительно огромная канавка с большим количеством внесенных остаточных напряжений, " он объяснил.
Естественно, чем больше остаточных напряжений при растяжении, тем более подвержен разрушению сварной шов.
«Гибридная лазерно-дуговая сварка представляет собой более сфокусированный источник тепла, который позволяет снизить остаточное напряжение», - сказал Ю. «В океане соленая вода в конечном итоге вызывает коррозию, и если у вас высокая степень остаточного напряжения при растяжении, тем быстрее происходит коррозия и тем выше вероятность переломов или трещин, распространяющихся по сварным участкам».
Нейтроны дают чрезвычайно подробную картину того, как атомы ведут себя глубоко внутри сварных швов, сравнивая остаточные напряжения как от дуговой сварки под флюсом, так и от образцов гибридной лазерной дуги. Нейтронные измерения показывают любые изменения остаточного напряжения по мере того, как Андреассен и Ю увеличивают размеры стальных пластин с 10 до 20, 40 и 60 миллиметров.
«Причина, по которой нам нравятся нейтроны для этого исследования, заключается в том, что это единственный метод, который может проникать через стальные пластины, чтобы дать нам полный профиль остаточного напряжения» , - сказал Ю. «Мы будем использовать нейтронные данные и сравнивать их с результатами моделирования группы Майкла, которые мы можем применить непосредственно к реальной структуре».
