Введение к работе
Актуальность проблемы. Рост рабочих параметров различных агрегатов и сооружений ответственного назначения в атомной, тепловой и гидроэнергетике, в химической и нефтегазовой промышленности, в машиностроении, на транспорте и в строительстве выдвигает на первое место требования обеспечения высокой эксплуатационной надежности сооружаемых объектов.
Надежность сооружаемых объектов ответственного назначения, обуславливающая безопасность их эксплуатации для человека и окружающей среды, определяется тремя основными факторами:
совершенством применяемых материалов;
совершенством и качеством сварочно-монтажных работ;
- точностью и достоверностью контроля качества материалов и их
соединений.
До последнего времени основное внимание в области контроля качества материалов, изделий и мест их соединений было обращено на выявление несплошностей - дефектов, и оценку их параметров с целью определения степени опасности для объекта, что и предопределило интенсивное развитие различных методов дефектоскопии.
В настоящее время разработчики средств дефектоскопии достигли серьезных результатов, и о дефекте мы можем знать практически все. Достоверность результатов дефектоскопии за последнее десятилетие значительно выросла. Но в вопросе оценки эксплуатационной надежности объектов повышенной опасности, достоверность остается практически на прежнем уровне. Все чаще происходят аварии в разных конструкциях и их элементах:
в болтовых и шпилечных соединениях;
в сварных соединениях конструкций;
на магистральных трубопроводах.
Исследователи установили некоторые причины таких разрушений.
Наметившаяся в 70-х годах тенденция расширения применения разъемных соединений поставила задачу перед неразрушающим контролем: определять степень надежности болтовых и других разъемных соединений.
Применяемые сейчас методы оценки надежности болтовых и других резьбовых соединений в большинстве являются косвенными, а значит недостаточно точными и достоверными.
Разработка и внедрение эффективных средств измерения степени натяжения резьбовых соединений, позволят повысить надежность конструкции и высвободить значительный экономический резерв.
Первые исследования по изучению остаточных напряжений, и зарождающихся в результате напряжений дефектов структуры металла, провели Родман В.И. в 1857 году и затем Умов И.А. в 1871 году. Начало систематических исследований было положено в 1887 году Калакуцким Н.В., который впервые разработал метод расчета остаточных напряжений и впервые предложил экспериментальные методы их измерения.
Значительную актуальность приобретают методы определения параметров качества биметаллических материалов, изготовленных методом сварки взрывом.
Особый интерес вызывают дефекты граничной зоны биметаллического листа, т.к. сварка взрывом выполняется в полевых условиях и часто на процесс изготовления листов влияет ряд внешних факторов.
Для оперативного и эффективного контроля качества всех перечисленных выше объектов повышенной опасности необходимо создать информационно-измерительную систему (ИИС) определения параметра качества. Но в промышленности в ряде случаев невозможно вывести объект из эксплуатации и это ставит на первое место неразрушающие методы определения дефектов в конструкциях опасных производственных объектов.
Эта работа актуальна тем, что даёт возможность оценить параметры дефектов образующихся в металле объектов повышенной опасности, и проследить механизмы рассеяния ультразвукового поля на данных дефектах.
Объектами исследования являются следующие образцы:
стержни из различных металлов, различной длины и диаметра;
биметаллические листы, изготовленные методом сварки взрывом;
образцы из стали 20, с искусственно созданными дефектами правильной формы.
Предметом исследования являются методы и модели контроля параметров качества, механизм рассеяния ультразвукового поля на дефектах в материале опасных производственных объектов, а также архитектура информационно-измерительной системы для определения дефектов в металле.
Цель работы - создание информационно-измерительной системы для неразрушающего экспресс-контроля параметров качества объектов повышенной опасности.
Поставленная цель достигается путём решения конкретных задач:
Проанализировать существующие в настоящее время методы и средства акустической диагностики опасных производственных объектов.
Разработать физико-математическую модель, позволяющую описать механизм рассеяния ультразвукового поля на дефектах в опасных производственных объектах.
Построить информационно-измерительную систему для ультразвуковой диагностики дефектов в металле опасных производственных объектов.
Провести количественную и качественную оценку полученных результатов ультразвуковой локации с применением методов механики разрушения.
Применяя построенную информационно-измерительную систему оценить параметры искусственно созданных дефектов, исследовать резонансные свойства металлических объектов правильной формы (металлические стержни).
Разработать методику акустической диагностики биметаллических листов, с применением разработанной информационно-измерительной системы.
Провести метрологическую оценку построенной информационно-измерительной системы ультразвуковой диагностики.
Научная значимость работы заключается в подробном исследовании механизма рассеяния ультразвукового поля на дефектах в металле опасных производственных объектов, что позволяет своевременно выявлять дефекты структуры металла, а также по параметрам ультразвуковой волны определять
фактическое состояние металла стержня, без применения методов механики разрушения.
Основные положения выносимые на защиту:
Метод расчёта отражённого сигнала основанный на использовании характеристических матриц для цели диагностики слоистых структур (биметаллических листов, изготовленных методом сварки взрывом).
Методика оценки параметров качества биметаллических листов, изготовленных сваркой взрывом.
Метод диагностики металлических стержней, входящих в состав объектов повышенной опасности на основе анализа параметров нормальных волн.
Практическая значимость исследования заключается в применении разработанной информационно-измерительной системы для акустической диагностики объектов повышенной опасности в процессе производства биметаллических листов.
Достоверность результатов работы подтверждается корректным применением основных теоретических положений, согласованностью отдельных полученных результатов с результатами других авторов, а так же результатами физических экспериментов, опытной эксплуатации и испытаний на объекте.
Соответствие паспорту специальности.
Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 05.11.16 «Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)», а именно пункту 2 - "Новые методы и технические средства контроля и испытаний образцов информационно-измерительных и управляющих систем" и пункту 5 - "Методы анализа технического состояния, диагностики и идентификации информационно-измерительных и управляющих систем".
Апробация материалов исследований. Основные результаты диссертационных исследований обсуждались на XI Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (г. Волгоград, 2007 г.); III Российской научно-технической конференции "Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций" (г. Екатеринбург, 2007 г.); VI Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Казань, 2007 г.); IV Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург, Май 2009 г.); VIII международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Санкт-Петербург, 2009 г.); VIII Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности» (г. Москва, 2009 г.); Международной научной конференции «Прогресс транспортных средств и систем» (г. Волгоград, 2009 г.); VIII конференции молодых работников «Газпром трансгаз Ставрополь» Актуальные проблемы работы газотранспортных предприятий в современных условиях (п. Рыздвяный, 2010 г.); VI научно-технической конференции молодых работников ООО «Газпром трансгаз Волгоград» (г. Волгоград, 2010 г.); VI производственно-технической конференции молодых учёных и специалистов «Изобретательство и рационализаторство молодых работников в вопросах транспортировки природного газа», (г. Уфа, 2010
г.), IX Всероссийской конференция молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности» (г. Москва, 2011 г.)
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 20 работ, из них 3 статьи в издании перечня ВАК Минобрнауки РФ.
Личное участие автора в полученных результатах. В работах [1,2,3,4,6,8,9,12,15,20], опубликованных в соавторстве лично соискателю принадлежит: разработка информационно-измерительной системы ультразвуковой диагностики объектов повышенной опасности; построение математической модели рассеяния ультразвуковой диагностики дефектов; проведение экспериментов по рассеянию ультразвукового поля на дефектах в металле с использованием построенной информационно-измерительной системы.
Основные научные результаты и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе и публикациях, получены автором самостоятельно и под руководством научного руководителя.
Структура диссертационной работы. Объем диссертации — 129 страниц. Работа состоит из введения, 5-й глав, заключения, практической значимости, выводов, списка использованной литературы в количестве 123 наименования. Иллюстративный материал представлен 10-ю таблицами, 41-им рисунком.
