Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Характеристика объекта контроля. Постановка задач исследования
1.1. Схема систем горячего и холодного водоснабжения, газоснабжения
1.2. Требования к трубам 11
1.3. Сборка и сварка трубопроводов. Контроль качества 12
1.4. Анализ дефектности водо-газопроводных систем коммунального хозяйства
1.5. Анализ существующих методов ультразвукового контроля 19
Выводы по главе 1 25
Глава 2. Волны лэмба. Основные положения 27
Выводы по главе 2 .38
Глава 3. Дифракция волн лэмба 40
3.1. Плоскостной дефект 40
3.2. Волна Лэмба, сформированная дифрагированными волнами при наличии препятствия в виде трещины
3.3. Объемный дефект 62
3.4. Волна Рэлея. Цилиндрическая поверхность 63
3.5. Волна Лэмба, сформированная дифрагированными волнами 68 при наличии препятствия в виде поры
3.6. Экспериментальное исследование влияния геометрии 74 дефекта на распространение волн Лэмба
Выводы по главе 3 84
Глава 4. Критерий оценки типов дефектов 85
Глава 5. Методика контроля недоступных участков трубопроводов
5.1. Настройка аппаратуры 8 8
5.2. Проведение контроля 90
5.3. Система позиционирования и перемещения преобразователей
5.4. Экспериментальная проверка методики на реальных образцах
Выводы по главе 5 103
Выводы по работе 104
Литература
- Схема систем горячего и холодного водоснабжения, газоснабжения
- Анализ дефектности водо-газопроводных систем коммунального хозяйства
- Волна Лэмба, сформированная дифрагированными волнами при наличии препятствия в виде трещины
- Система позиционирования и перемещения преобразователей
Введение к работе
В сложившихся экономических условиях в нашей стране стало необходимым оценивать остаточный ресурс технических объектов, отслуживших свой расчетный срок. Особую остроту эта задача принимает в коммунальном хозяйстве. Речь идет о трубопроводах, обеспечивающих водоснабжение и газоснабжение жилых построек. Эта проблема становится особенно важной для высотных зданий, которые эксплуатируются более двадцати лет (например, здание ОАО «Газпром» и ему подобные).
Анализ дефектности трубопроводов, эксплуатирующихся в системах ЖКХ, показал, что в 75 % случаев причиной/ разрушения является коррозионное поражение, которому сопутствуют поверхностные трещиноподобные дефекты сложной геометрической формы и ориентации. Как правило, места коррозионного поражения находятся на участках, проходящих через межэтажные перекрытия и стенные перегородки, так как эти участки труб являются недоступными для визуального контроля и профилактических работ.
Проведенный анализ показал, что практически единственным методом диагностирования указанных участков трубопроводов является ультразвуковой, причем наиболее эффективным является контроль волнами Лэмба по теневой схеме. Это обусловливается тем, что этими волнами могут быть обнаружены поверхностные трещины не только с наружной, но и с внутренней стороны стенки трубы, а также сложно ориентированные дефекты, которые трудно обнаружить объемными волнами.
Исследованию возможностей применения нормальных волн посвящены работы как российских ученых: И.А. Викторова, В.Т. Боброва, так и иностранных специалистов: Gringsby T.N., Tajchman Е. J., Frederick C.L., Worlton D.C. , что еще раз подтверждает большой потенциал их использования.
Анализ работ показал, что в настоящее время существуют методики контроля волнами Лэмба, которые позволяют обнаруживать сложно ориентированные поверхностные дефекты, измерять толщину металла, исследовать механические характеристики материалов. Однако, остается нерешенным вопрос об обнаружении и идентификации внутренних дефектов таких, как трещины и несплошности объемного типа (поры). Эти дефекты нередко встречаются в сварных соединениях, находящихся по той или иной технологической причине вне зоны доступа для обычных ультразвуковых методов контроля (это так называемые участки трубопроводов, проходящие в «закладных» гильзах; как правило, встречающихся в подпольях зданий).
Для решения поставленной задачи необходимо создать твердотельную модель дифракции, позволяющую учитывать дифракционные волны, образующиеся на дефекте при падении на него упругой волны и на основе этой модели разработать критерий, однозначно определяющий тип дефекта.
Целью работы являлась разработка методики ультразвукового контроля недоступных участков трубопроводов.
Работа состоит из пяти глав.
В первой главе рассмотрены конструктивные особенности трубопровода, технология его изготовления. Был проведен анализ дефектов, встречающихся в трубопроводах ЖКХ данного типа и применяемые методы контроля трубопроводов. Был проведен анализ существующих методов контроля, обоснован выбор теневой схемы контроля волнами Лэмба для недоступных участков трубопровода.
Во второй главе рассмотрены теоретические основы распространения волн Лэмба.
Проанализировав особенности распространения нормальных волн, было установлено следующее.
Применение мод нулевого порядка для обнаружения внутренних дефектов невозможно, потому что при kth»\ их фазовые и групповые скорости стремятся к скорости волны Рэлея cR, смещения становятся локализованными вблизи свободных границ пластины. При этом' фазовая скорость зависит от проекции волнового числа на ось, вдоль которой^ распространяется волна.
Также было обращено внимание на> доказанный- в. работах И: А. Викторова факт, что в первом приближении- цилиндрическая кривизна не влияет на скорость и затухание волн Лэмба;,что дает возможность.переноса методик контроля плоского слоя (листов) на цилиндрический слой (труб).
Эти положения позволили в дальнейшем* подойти к решению задачи-дифракции волн Лэмба в твердом теле при наличии плоскостных и объемных несплошностеш
Третья глава* посвящена решению задачи* дифракции' волн Лэмба1 и разработке математических моделей влияния геометрии^ дефекта на параметры, нормальных волн. Было показано, что угол наклона трещины влияет на? фазовые скорости мод волны Лэмба, а диаметр поры влияет на форму принимаемого сигнала мод нулевого порядка за счет формирования пакетов волн Лэмба волнами соскальзывания поперечного типа.* Проведенное экспериментальное исследование влияния геометрии дефектов на распространение нормальных волн подтвердило результаты расчетов. В четвертой главе представлен критерий оценки типов-дефектов. Критерий состоит в следующем.
Если при контроле двумя модами волны Лэмба, одна из которых мода нулевого порядка^ а другая. - мода, имеющая^ возможность изменения фазовой скорости при данной толщине и частоте, происходит:
изменение формы сигнала от моды нулевого порядка (рис. 10), то обнаружен объемный дефект (пора), где ширина сигнала по времени определяет диаметр поры;
изменение формы сигнала моды нулевого порядка не происходит, а происходит изменение времени прихода сигнала от моды, имеющей возможность изменения фазовой скорости при данной толщине и частоте, то обнаружен плоскостной дефект.
Критерий позволяет определять размеры дефектов не по амплитуде, а по анализу временных характеристик распространения волн Лэмба.
В пятой главе представлена технология контроля недоступных участков трубопроводов по теневой схеме. Рассчитаны рекомендуемые частоты вводимой волны для различных толщин в диапазоне 3-6 мм, рекомендуемый угол ввода волны.
Также представлен стандартный образец предприятия СОП-1 для настройки необходимого масштаба развертки дефектоскопа и его усиления и устройство позиционирования и перемещения датчиков, применяемых при контроле.
Схема систем горячего и холодного водоснабжения, газоснабжения
Основываясь на материале, представленном в «Методических рекомендациях по реконструкции и модернизации инженерного оборудования жилых домов первых массовых серий», конструкция трубопроводов представляется следующим образом.
Во всех рассматриваемых сериях жилых домов приняты системы холодного и горячего водопровода с нижней разводкой, с прокладкой магистралей по подвалам или техподпольям, с подачей холодной и горячей воды от внешних источников. Системы холодного водопровода предусмотрены с устройствами водомерных узлов, горячего - без них.
Системы, смонтированы из стальных водо-газопроводных оцинкованных труб по ГОСТ 3262-75. Магистрали изолированы изделиями из минеральной ваты во избежание образования конденсата и теплопотерь.
Схема прокладки трубопровода с гильзой На рис. 1.2 показана схема прокладки трубопровода через стену и через межэтажное перекрытие (рис. 1.3). Как видно из рис. 1.2, прокладка трубопровода через межэтажное перекрытие не всегда осуществляется с использованием гильз, что само по себе является нарушением технологии изготовления трубопровода и приводит к преждевременному разрушению участков трубопровода (коррозионное поражение участков трубопровода). Кроме того, как видно из этого рисунка, местами может отсутствовать антикоррозионное покрытие трубопровода.
К трубам в соответствии с ГОСТ 3262-75 предъявляются следующие требования: - трубы изготовляют в соответствии с требованиями настоящего стандарта и по технологическим регламентам, утвержденным в установленном порядке, из сталей по ГОСТ 380-88 и ГОСТ 1050-88 без нормирования механических свойств и химического состава; - трубы для деталей водопроводных и газопроводных конструкций изготовляют из сталей по ГОСТ 1050-88; - на поверхностях труб не допускаются трещины, плены, вздутия и закаты; - на торцах труб не допускаются расслоения; - допускаются отдельные вмятины, рябизна, риски, следы зачистки и другие дефекты, обусловленные способом производства, если они не выводят толщину стенки за минимальные размеры, а также слой окалины, не препятствующий осмотру; - на трубах, изготовленных методом печной: сварки, допускается в месте шва уменьшение наружного диаметра до 0,5 мм при: наличии:в этом месте пологого утолщения по внутреннему диаметру не более 1,0 мм.
Анализ дефектности водо-газопроводных систем коммунального хозяйства
По данным Главной инспекции государственного архитектурного надзора Госстроя России за период с 2002 года по 2006 год был зафиксирован рост крупных аварий в жилищно-коммунальном комплексе, связанных с разрушениями трубопроводов, из которых 20% от числа- всех аварий связано с человеческим фактором: нарушение правил эксплуатации водо-газопроводных трубопроводов. Как правило, примерно в 90 % случаев, причиной разрушения трубопроводов является коррозионное поражение участков трубопроводов. Такая ситуация является следствием нарушения антикоррозионного покрытия трубопроводов и отсутствия электрохимической защиты. Во многих случаях, места коррозионного поражения с критической толщиной стенки и менее находятся на участках, проходящих через межэтажные перекрытия и стенные перегородки, так как эти участки труб являются недоступными для визуального контроля и профилактических работ (рис. 1.4).
Анализ особенностей сборки трубопроводов (применение газовой сварки, ручной дуговой сварки) и послесборочного контроля (выборочный контроль сварных швов) показывает, что существует вероятность существования в непроконтролированных сварных соединениях дефектов, приводящих к снижению прочности трубопроводов (трещины, поры).
Существуют различные схемы контроля и способы оценки первичной информации., В зависимости от вида; обрабатываемой первичной информации методы ультразвуковой? дефектометриш подразделяются на: две основные группы: амплитудные и временные;.
В; амплитудных способах оценка величины дефекта производится! по: амплитуде отраженного? от него (в случае эхо-метода) или прошедшего (теневой, зеркально-теневой) через него сигнала; Амплитудные способы не позволяют в полной степени учесть конфигурацию дефекта и поэтому дают усредненную информацию, выражаемую через; так называемые условные размеры..
Временные способы позволяют судить об: истинных размерах дефекта., определив, временную! задержку, связанную с рассеянием волн на краях (верхнемшшижнем)г дефекта.
В; большинстве действующих в? РФ отраслевых РД- для оценки качества используются критерии, изложенные в ГОСТ 14782-86: амплитуда, эхо-сигнала или эквивалентный размер, условная протяженность, условная высота, удельная плотность дефектов на единицу длиньг контролируемого участка. Так как применяется амплитудный метод оценки дефекта, то есть за счет отраженного или прошедшего сигнала, то результаты контроля будут зависеть от геометрии и расположения дефекта в сварном соединении и околошовной зоне, что является одним из недостатков методов ультразвукового контроля: Также необходим доступ к зоне контроля, что является невозможным для участков трубопроводов, проходящих через межэтажные перекрытиями стенные перегородки.
Также, для оценки состояния- трубопровода применяется акустико-эмиссионный. метод контроля. Акустико-эмиссионный метод контроля тоже имеет ряд недостатков:
- при применении акустико-эмиссионного метода необходимо изменять рабочий режим трубопровода (поднимать и понижать давление в трубопроводе), что может привести к его разрушению при диагностировании и, следовательно, к разрушению элементов здания; например, при наличии утечки из трубопровода при поднятии давления в нем возможно частичное разрушение элементов здания или его порча;
- акустико-эмиссионный метод не позволяет оценить тип дефекта, его величину, что заставляет дополнительно проводить исследование мест, в которых обнаружены возможные дефекты, другими методами неразрушающего контроля, что сопровождается освобождением элементов трубопровода в необходимых пределах от элементов здания (разрушение части стен и перекрытий).
Волна Лэмба, сформированная дифрагированными волнами при наличии препятствия в виде трещины
Схему распространения дифрагированных волн на несплошности в виде трещины можно представить как поле продольных и поперечных колебаний на конце трещины и поле поперечных волн, которые являются следствием распространения неоднородной продольной волны вдоль поверхности трещины, а также присутствует волна Рэлея.
Дифракцию на конце трещины представляем в виде продольной волны, распространяющейся по направлению оси трещины, углы распространения поперечных волн по отношению к продольной волне считаются по закону Снеллиуса, и эти углы для металла составляют 33.5.
По отношению к системе координат XZ, эти углы можно рассчитать в зависимости от угла наклона трещины а: - для продольной волны угол распространения равен а, = а, этот угол равен углу наклона трещины; - для поперечной волны угол распространения равен а, = а ±33.5, где знак плюс обозначает распространение волны в положительном направлении X, а знак минус - в отрицательном направлении.
Необходимо отметить, что проекции волновых чисел этих волн на ось X не равны между собой. Поэтому будем рассматривать влияние каждой вышеуказанной волны на формирование волны Лэмба отдельно.
Как видно из расчетов коэффициентов трансформации (рис.3.6 и рис.3.7) амплитуда поперечной волны в десятки раз меньше амплитуды продольной волны (например, при угле падения 60 амплитуда продольной краевой волны в 30 раз больше амплитуды поперечной краевой волны). Данные расчетов подтверждаются результатами экспериментов, где измеренные значения амплитуд продольных головных волн были на 16-22 дБ больше амплитуд поперечных краевых волн в зависимости от угла. Учитывая и то, что амплитуды боковых волн имеют еще более низкое значение, при расчете волн Лэмба, возникающих в результате дифракции, будем учитывать только краевые продольные волны.
Значения фазовых скоростей, определяющихся как (ср)п =6Ve, где проекция волновых чисел на ось, вдоль которых распространяются волны, будут зависеть от угла наклона трещины, так как будет меняться вместе с углом наклона трещины и проекция волнового числа поперечной краевой волны, которая и формирует волну Лэмба.
Схема дифракции при угле наклона трещины 90 Отраженная от поверхности трещины поперечная волна обладает большей энергией, чем краевые поперечные волны, поэтому в расчетах будем учитывать только поперечную отраженную волну (согласно расчетам, сделанным ранее, амплитуда поперечной отраженной волны примерно в 10 раз больше амплитуды краевой поперечной волны).
В данном случае фазовые скорости волн Лэмба останутся без изменений, так как проекция волнового числа на ось, вдоль которой распространяется волна, не изменится, а сформировавшаяся волна в результате будет иметь временную задержку.
Данная временная задержка будет зависеть от величины отставания по фазе отраженной поперечной волны от падающей поперечной волны. Согласно расчетам, представленным на рис. 3.5, данное отставание по фазе будет не больше 2 цс при однократном отражении, что практически не возможно зафиксировать прибором типа УД 2-12. Поэтому величину отставания по фазе в расчет не берем.
Критерием обнаружения расслоения принимаем постоянство фазовой скорости при уменьшении величины амплитуды волны Лэмба. В случае, когда трещина расположена вертикально, волна Лэмба формируется краевыми поперечными волнами, так как продольная краевая волна направлена строго вертикально и участия в процессе формирования нормальных бегущих волн участия не принимает. В данном случае изменяются фазовые скорости волн Лэмба, так как меняется проекция волнового числа, причем угол распространения поперечной краевой волны относительно вертикали равен третьему критическому углу. Согласно (3.30), рассчитана зависимость изменения фазовых скоростей от угла ввода (распространения) поперечной волны, при условии вертикального расположения трещины, что представлено на рис. 3.15.
Система позиционирования и перемещения преобразователей
Предлагаемая система перемещения и позиционирования датчиков представлена на рис. 5.7. Она состоит из блоков крепления и прижатия датчиков поводков, жестко закрепленных к подвижным; кольцам, неподвижных колец, жестко закрепленных на трубе, системе позиционирования и механического привода, обеспечивающих передвижение датчика по телу-трубы..
Исходя из условий проведения контроля, предложена схема и; разработана конструкция для обеспечения механического закрепления и перемещения ПЭП (рис.5.8), состоящая из корпуса акустического блока с ПЭП и механизма закрепления на трубопроводе и перемещения вдоль зоны; контроля.
Спроектировано захватное приспособление (рис.5.9) в котором прижимным винтом датчик фиксируется в корпусе-держателе. Плотное фиксирование датчика достигается.вследствие наличия резиновых прокладок в, корпусе — держателе.
Приспособление разрабатывалось из учета ограниченности пространства для размещения ПЭП. Рассматривалось две конструкции приспособления (рис.5.11 и рис. 5.12). Вариант, представленный на рис. 5.11, имеет меньшие габаритные размеры, однако, этот вариант имеет и меньшую жесткость. Вариант, представленный на рис. 5.12, наоборот, имеет большие габаритные размеры и большую жесткость. При этом вариант, представленный на рис. 5.12, дает большее удобство в установке ПЭП, т.к. увеличивается расстояние, на которое можно отводить ПЭП от контролируемой поверхности (для нанесения акустической смазки).
Соосная установка в начальной точке (рис.5.13) осуществляется уровнем по ГОСТ 9416-76. Прижим ПЭП производится четырьмя пружинами, из расчета силы прижима 2Н (0,2 кг). Рис.5.13. Устройство системы установки нулевой точки: 1 - уровень ГОСТ 9416-76, цена деления - мм/м /15 мин/, 2 - пружины
Корпус акустического блока соединен через консоль с механизмом крепления и перемещения. Механизм крепления устанавливается на трубопровод и имеет направляющую для механизма перемещения (рис. 5.14).
Между механизмом крепления и трубопроводом устанавливается резиновая прокладка. Для исключения заклинивания при вращении колесики механизма перемещения подпружиниваются.
Вращение приспособления с ПЭП - приемником осуществляется оператором, а вращение приспособление с ПЭП - источником осуществляется при помощи электродвигателя. Текущее положение датчиков определяется системой позиционирования, которая выдает команду электродвигателю. Для точности перемещения на механизме крепления нанесена шкала (360).
Механизм крепления и перемещения акустического блока с ПЭП: 1 - механизм перемещения; 2 - механизм крепления; 3 - резиновая прокладка Система позиционирования преобразователей состоит из системы определения текущих координат и системы управления электродвигателем, перемещающим датчик, который является источником, то есть подключенного к генератору (рис. 5.15).
Оператор перемещает вручную ПЭП - приемник, а ПЭП - источник перемещается автоматически. Данная схема дает возможность располагать ПЭП - источник вне зоны видимости оператора. Также возможна автоматическая система перемещения ПЭП - приемника, но это усложняет систему перемещения и позиционирования.
Система определения координат состоит из непроводящего электрический ток кольца с нанесенной контактной группой и бегунка, перемещающегося по кольцу, замыкая те или иные контакты контактной группы. Диэлектрическое кольцо жестко закреплено с неподвижным кольцом механизма перемещения датчика, а бегунок - с подвижным кольцом механизма перемещения датчика. Замкнутые контакты контактной группы определяют координаты положения датчика. Количество контактов на диэлектрическом кольце (или шаг S, рис. 5.15) определяют точность позиционирования преобразователей.
Сигнал с контактной группы оцифровывается, оцифрованный сигнал подается на блок сравнения и, далее, на блок, выдающий команду двигателю (блок команд).
С целью проверки возможности применения данной технологии контроля на реальных объектах был разработан стенд, имитирующий стенную перегородку (рис. 5.16).
Труба укладывается в цилиндрическую полость одного из элементов перегородки и сверху накрывается другим элементом. В результате получается имитация прохождения трубопровода через перегородку.
В качестве образцов использовались вырезанные участки реальных трубопроводов, имеющих толщину стенок ниже браковочного уровня, вследствие коррозионного поражения. Количество вышеуказанных образцов составляет 10 штук, где толщины стенок находятся в диапазоне 1.6 мм-2.1 мм.
Также, для проведения экспериментов были, изготовлены образцы, имитирующие дефекты трубопроводов, такие как трещины и непровары. Образцы (рис. 5.17) изготовлялись из труб, материал и толщины которых соответствовали материалу и толщинам объекта контроля (Ст 3 сп по ГОСТ 3262-75, толщина - 4 мм). Величины непроваров находятся в диапазоне от 0.8 мм до 2.2 мм, количество образцов составляет 5 штук.
Образцы - имитаторы помещались в имитатор стенной перегородки (рис. 5.18) и проводился эксперимент. В процессе проведения экспериментов, анализируя временные характеристики сигналов от мод волны Лэмба, используя критерии оценки типов дефектов, определялся вид и размер дефектов. Для определения достоверности результатов контроля толщины стенок труб, пораженных коррозией, измерялись поверенным ультразвуковым толщиномером PANAMETRICS 36DL Plus. Величина непровара измерялась при помощи измерительной лупы на шлифах, сделанных из проконтролированных сварных соединений.
Результатом проведенных исследований стало подтверждение возможности применения разработанной методики контроля участков трубопроводов, проходящих через перекрытия и перегородки, где основным критерием оценки была точность определения размеров дефектов. Точность измерения остаточной толщины стенки составило 0.1 мм, а точность определения величины непровара - 0.5 мм.
