Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и постановка задач исследования 9
1.1 Проблемы ультразвукового контроля изделий с криволинейной поверхностью и их сварных соединений 9
1.2 Обзор и анализ работ по исследованию акустического тракта дефектоскопа при УЗК изделий с криволинейной поверхностью 20
1.3 Формулировка задач исследования 26
2 Теоретическое и экспериментальное исследование формирования акустического поля наклонных преобразователей в изделиях с криволинейной поверхностью 27
2.1 Выбор метода расчета акустического поля преобразователя со сферической границей «призма-изделие» 27
2.2 Диаграмма направленности в плоскости падения акустической оси наклонного преобразователя со сферической контактной поверхностью 30
2.3 Особенности формирования диаграммы направленности в азимутальной плоскости наклонного преобразователя со сферической контактной поверхностью 38
2.4 Диаграмма направленности при отклонении акустической оси от диаметральной плоскости
- сферы 38
2.5 Оценка влияния цилиндрической поверхности изделия на акустическое поле наклонного
преобразователя 42
3 Исследование акустического тракта ультразвукового дефектоскопа при контроле изделий со сферической поверхностью 57
3.1 Расчет амплитуды эхо-сигнала при отражении от искусственных отражателей и донной поверхности 57
3.2 Теоретическое исследование коэффициента прозрачности по энергии криволинейной границы оргстекло-сталь 60
3.3 Экспериментальная проверка формул акустического тракта 66
3.4 Факторы, определяющие коэффициент отражения поперечных волн 69
3.5 Исследование коэффициента поляризации поперечных волн при их отражении от свободной
* поверхности и поверхности плоских отражателей 74
3.6 Исследование коэффициента трансформации поперечных волн в продольные в зависимости
от ориентации вектора поляризации относительно отражающей поверхности 81
3.7 Зависимость амплитуды трансформированных продольных волн при падении SV-волн на плоскость (свободную границу полупространства) и несплошности 85
3.8 Экспериментальное исследование трансформации поперечных волн в продольные на реальных дефектах 88
4 Анализ основных формул акустического тракта и разработка технологии и средств уз контроля изделий с криволинейной поверхностью 106
4.1 Оценка и сравнительный анализ формул акустического тракта при контроле изделий с
плоской и криволинейной поверхностью 106
4.2 Сравнение формул акустического тракта дефектоскопа при контроле изделий с плоской и сферической поверхностью 109
4.3 Разработка технологии и пьезопреобразователей эхо-метода контроля сферических корпусов задвижек для атомных и тепловых электростанций 111
4.4 Оптимизация параметров наклонных преобразователей с переходными согласующими слоями на основе компьютерного эксперимента 118
4.5 Принципы разработки наклонных ПЭП для контроля изделий со сферической поверхностью 134
4.6 Исследование наклонных преобразователей с переменным демпфированием для УЗК сварных соединений тонкостенных цилиндрических элементов 135
4.7 Исследование наклонных пьезопреобразователей с композиционной пьезопластиной 141
4.8 Стабилизация акустического контакта прямого преобразователя с использованием эластичных подкладок 146
5 Внедрение в производство технологий и пьезопреобразователей ультразвукового контроля изделий с криволинейной поверхностью. практическое применение результатов исследований 152
5.1 Разработка методов и технологии ультразвукового контроля сварных швов сферических корпусов арматуры 152
5.2 Внедрение наклонных преобразователей для дефектоскопии аустенитных сварных соединений трубных элементов 157
Список использованных источников
- Обзор и анализ работ по исследованию акустического тракта дефектоскопа при УЗК изделий с криволинейной поверхностью
- Диаграмма направленности в плоскости падения акустической оси наклонного преобразователя со сферической контактной поверхностью
- Теоретическое исследование коэффициента прозрачности по энергии криволинейной границы оргстекло-сталь
- Сравнение формул акустического тракта дефектоскопа при контроле изделий с плоской и сферической поверхностью
Введение к работе
Эффективность применения неразрушающего ультразвукового контроля (УЗК) изделий с криволинейной поверхностью является стратегически важной проблемой в рамках всей промышленности России. Эта проблема обусловлена множеством трудностей, которые возникают именно из-за кривизны контролируемых изделий. Качество проведения неразрушающего ультразвукового контроля при изготовлении, монтаже, ремонте, эксплуатации и технической диагностике (проводимой с целью продления ресурса оборудования) во многом определяет безаварийность работы изделий в целом.
К изделиям с криволинейной поверхностью (сферической и цилиндрической) относятся до 80% изделий от общего количества » объектов контроля. Это водо-и паротрубопроводы тепловых и атомных электростанций (в т.ч. трубы малого диаметра поверхностей нагрева), •» стальные нефте- и газотрубопроводы в нефтехимической и газовой промышленности, цилиндрические трубки несущих конструкций грузоподъемных механизмов и горно-шахтного оборудования. В связи с этим является актуальной задачей исследования акустического тракта, параметры которого определяет кривизна контролируемых изделий, и разработка на основе этого исследования эффективных и ресурсосберегающих методов, технологий, средств и способов УЗК.
В первом разделе проанализированы основные проблемы ультразвукового НК, связанные с влиянием криволинейной поверхности на акустический тракт и, в конечном счете, на результаты УЗК и общую оценку технического состояния изделия. Рассмотрены характерные дефекты, возникающие в указанных изделиях, при использовании электродуговой, электрошлаковой и электронно-лучевой сварки.
Л Проведен обзор и анализ работ по теме диссертации. Сформулированы основные задачи научных исследований работы.
Во втором разделе дан теоретический расчет акустического поля наклонного пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) со сферической границей раздела сред «призма-изделие» при различной ориентации акустической оси ПЭП относительно сферической поверхности изделия. Получены количественные данные изменения угла ввода, ширины диаграммы направленности ПЭП в зависимости от соотношения угла наклона акустической оси (угла падения) и угла призмы при различных параметрах кривизны ZQ/R; ZQ - путь в призме ПЭП, R - радиус внешней сферической поверхности. Для сферической поверхности сформулированы особенности формирования диаграммы направленности в азимутальной плоскости (плоскости, перпендикулярной плоскости падения) наклонного ПЭП. Для цилиндрической поверхности проведена оценка искажения акустического поля наклонного преобразователя. Установлен и Ф экспериментально подтвержден осциллирующий характер эхо-сигналов при притирке призмы наклонного преобразователя к цилиндрической поверхности изделия диаметром от 25 до 100 мм. Даны практические рекомендации для поправки чувствительности дефектоскопа при УЗК изделий с цилиндрической поверхностью.
В третьем разделе приводятся результаты исследования и анализа формул акустического тракта ультразвукового дефектоскопа при эхо- импульсном методе контроля изделий со сферической поверхностью. Оценено влияние коэффициента прозрачности по энергии поперечных волн криволинейной (сферической) границы «оргстекло-сталь» на амплитуду эхо-сигнала в зависимости от угла ввода для различных значений ao/R (ао - радиус пьезоэлемента наклонного ПЭП, R - внешний радиус сферической поверхности ОК). Проведена экспериментальная Ф оценка применимости формул акустического тракта и даны практические рекомендации по выбору угла ввода для различных соотношений ao/R.
Впервые обнаружено влияние вектора поляризации поперечных волн на коэффициент отражения от несплошностей при УЗК изделий с криволинейной поверхностью. Экспериментально показано, что наклонные ПЭП излучают поперечные волны с линейной поляризацией, коэффициент поляризации которых равен 0,95-0,98. Сферическая поверхность снижает коэффициент поляризации до 0,86, т.е. в сферическом изделии распространяются волны с поляризацией, близкой к линейной (точнее - волны остро-эллиптической поляризации). Исследован коэффициент поляризации при отражении линейно-поляризованных волн на свободную границу раздела сред и различные типы отражателей. Исследован и получил развитие дельта-метод контроля, показана зависимость коэффициента трансформации поперечных волн в продольные от ориентации вектора поляризации относительно отражающей поверхности. В результате установлено существование продольных волн, трансформированных на плоскостных отражателях при падении поперечных волн вертикальной поляризации (SV-волн) под углом, большем третьего критического угла (для стали 33°). Экспериментально исследованы поля рассеяния трансформированных продольных, а также поперечных волн при падении SV-волн на несплошности типа бесконечного эллиптического цилиндра и типа трещин. В данном разделе приводится обнаруженные закономерности распределения амплитуд этих волн на указанных отражателях.
В четвертом разделе на основе обнаруженных явлений распростанения и отражения поперечных волн на несплошностях с учетом влияния криволинейной поверхности ОК приведены разработанные технологии, средства и способы контроля с использованием эхо-импульсного и дельта-метода. Приведены особенности разработки и конструирования наклонных преобразователей для УЗК изделий с _ криволинейной поверхностью с целью улучшения характеристик:
реверберационно-шумовой (РШХ), амплитудно-частотной (АЧХ),
• длительности импульса и др. Приведены результаты работ по метрологической аттестации основных характеристик ПЭП для контроля изделий не только с криволинейной, но и с плоской поверхностью. Разработаны методики выполнения измерений (МВИ) основных параметров ПЭП в соответствии с требованиями нормативных документов Госстандарта РФ. Приведены результаты по разработке наклонных преобразователей с переменным демпфированием с учетом особенностей УЗК стыковых сварных соединений цилиндрических элементов. Впервые разработаны и внедрены наклонные преобразователи с композитными пьезопластинами для контроля изделий с криволинейной поверхностью.
В пятом разделе описаны результаты внедрения в производство технологии и пьезопреобразователей, в частности, технологии ультразвукового контроля сварных швов сферических корпусов арматуры % для атомных и тепловых электростанций. Приведены параметры эхо импульсного и дельта-методов, характеристики ПЭП, схема прозвучивания и сканирования, способы определения типа несплошностей (плоскостные-объемные). Наклонные пьезопреобразователи, включая преобразователи с применением композитных пьезопластин, внедрены для УЗК стыковых сварных соединений цилиндрических труб теплообмена, гибов труб на ТЭС в системе РАО «ЕЭС России», на предприятиях по изготовлению изделий энергомашиностроения.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Исследованные закономерности формирования акустических полей наклонных ПЭП в ОК со сферической внешней поверхностью.
2. Полученные зависимости изменения сигналов при эхо-методе УЗК наклонными ПЭП трубных элементов с цилиндрической поверхностью.
3. Экспериментальные исследования поляризации поперечных волн и обнаруженные эффекты изменения поляризации при отражении этих волн от несплошностей в изделиях с криволинейной поверхностью.
4. Исследованные эффекты отражения и трансформации поперечных волн в продольные на плоскости (свободной границе полупространства) и несплошностях при закритических (больше третьего критического) углах падения поперечных волн вертикальной поляризации (SV-волн).
5. Научно обоснованные принципы разработки ПЭП для УЗК изделий с криволинейной поверхностью: наклонных совмещенных с согласующими слоями, с переменным демпфированием пьезоэлементов, с композитными пьезоэлементами и ПЭП для УЗК аустенитных сварных соединений цилиндрических элементов.
6. Принципы выбора методов УЗК, результаты разработки способов определения типа дефектов по дельта-методу и оптимизация параметров технологий и средств контроля изделий с криволинейной поверхностью.
Новизна разработок подтверждается 18-ю авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.
СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
(- частота максимума излучения пьезопреобразователя;
Ро - угол призмы наклонного преобразователя;
Pi - угол наклона акустической оси преобразователя;
її — символ функции Бесселя первого рода первого порядка;
Di D/ " коэффициенты прозрачности по амплитуде и энергии поперечных волн при падении на границу раздела продольных волн;
(р, - скалярный потенциал продольных волн в призме преобразователя;
- упругое смещение поперечных волн в изделии;
Сі С " скорости продольных и поперечных волн в материале призмы преобразователя;
Q. Q - скорости продольных и поперечных волн в материале контролируемого изделия;
Р, а - углы падения продольных и преломления поперечных волн соответственно;
Pt Pi - углы отражения поперечных и продольных волн - соответственно;
Pi, р2- плотности материалов призмы и изделия соответственно;
К , - волновые числа продольных волн в призме и поперечных I 2 волн в изделии соответственно;
Zo - путь ультразвука (задержка) в призме вдоль акустической оси;
г, R - расстояние от точки ввода до центра отражателя и радиус изделия соответственно;
Y=zo/R - параметр кривизны;
v=(l+zo/R) , v =(l+ Zo/Rcosa) - приведенные параметры кривизны;
Фо(а) - диаграмма направленности наклонного преобразователя в плоскости падения акустической оси;
ФОі ) - диаграмма направленности наклонного преобразователя в азимутальной плоскости;
m = QJQ - показатель преломления по поперечным волнам;
- 5, 6 - коэффициенты затухания продольных волн в материале призмы и поперечных волн в материале изделия;
• Р - коэффициент поляризации поперечных волн;
q g - угол падения поперечных волн на плоскостные дефекты;
0И 9П- углы отклонения плоскости поляризации от плоскости падения акустической оси излучателя и приемника соответственно;
SV, SH - поперечные волны вертикальной и горизонтальной поляризации соответственно;
Е і 21 j - коэффициент прозрачности по амплитуде продольных волн на границе «изделие-призма приемника»;
Rti - коэффициент трансформации поперечных волн в продольные на свободной плоской поверхности;
R. - коэффициент отражения продольных волн на сферической донной поверхности;
Р OCt Углы наклона и преломления для излучателя (приемника) продольных волн;
kti - коэффициент трансформации поперечных волн в продольные на отражателе;
co=27tf- круговая частота максимума излучения преобразователя;
Тг\- упругое напряжение в цилиндрическом изделии, создаваемое наклонным преобразователем;
Тгкг- относительное упругое напряжение поперечных волн в цилиндрическом изделии;
аг1а\ - параметр притирки ПЭП для цилиндрического изделия (а2 -часть призмы, сопряжения с поверхностью изделия, а\ - радиус пьезоэлемента наклонного ПЭП).
Обзор и анализ работ по исследованию акустического тракта дефектоскопа при УЗК изделий с криволинейной поверхностью
При обзоре рассматривались работы, в которых представлены результаты исследований акустического тракта при УЗК криволинейных изделий толщиной 3 мм и более объемными волнами эхо-импульсным методом. Рассматриваемой проблеме посвящены труды многих исследователей: Ермолова И.Н, Белого В.Е., Голубева А.С., Павроса С.К., Райхмана А.З., Шрайбера Д.С., Выборнова Б.И., Алешина И.П., Розиной М.В., Гребенник И.Л., Гребенника B.C., Щербинского В.Г., Данилова В.Н., Яблоника Л.М. и за рубежом: И. и Г. Крауткремера, А.Тинга, Д.Берика, С.Себариана и др.
Влияние кривизны изделия на акустический тракт при контроле в иммерсионном варианте при нормальном вводе в изделие ультразвука рассмотрено в работе [26]. Приводятся формулы, учитывающие кривизну цилиндрических и сферических изделий. Формулы выведены в приближении геометрической оптики для линзы малой кривизны с учетом, что размер преобразователя 2а значительно меньше диаметра изделия 2R. Допущение вполне приемлемо для практики УЗК. В этом случае влияние кривизны незначительно и если уменьшить путь ультразвука в иммерсионной жидкости, то с погрешностью не более 20%, можно применить обычные формулы акустического тракта. Для изделий с малым радиусом кривизны, когда размер 2а становится соизмеримым с диаметром 2R, существенное влияние оказывает коэффициент прозрачности по энергии. Поэтому рекомендуется применять фокусировку ультразвука. Проводятся формулы для расчета эхо-сигнала от донной выпуклой и вогнутой поверхности изделий. Вогнутая цилиндрическая поверхность сначала фокусирует ультразвуковые лучи, которые затем расходятся более широким пучком, чем при отражении от плоской поверхности. Выпуклая поверхность способствует большему расхождению ультразвукового пучка, чем плоская поверхность.
Эффекты, связанные с падением плоских и сферических волн на криволинейную поверхность, рассматриваются в работе [27]. Для случая «вода-сталь» вогнутая поверхность изделия действует как собирающая линза, выпуклая — как рассеивающая линза. Если ультразвук падает на границу раздела «сталь-вода», то наблюдаются обратные эффекты. Поэтому при контроле прямым преобразователем изделий с выпуклой поверхностью, например, труб, ультразвуковой пучок расширяется в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра, и остается неизменным в плоскости, проходящей через ось. Для совмещенной схемы контроля эхо-импульсного метода приводятся количественные экспериментальные данные снижения чувствительности прямых преобразователей, установленных на цилиндрическую поверхность образцы с плоской донной поверхностью (т.е. использовались сегментнообразные образцы). Уменьшение чувствительности происходило при изменении радиуса контактной поверхности от 500 мм до 100 мм: на 10 дБ (частота f=l Мгц, диаметр пьезоэлемента 2а=34 мм), 12 дБ и 3 дБ (f=2 Мгц, 2а=24 и 10 мм соответственно), 10 дБ и 5 дБ (f=4 Мгц, 2а=24 и 10 мм соответственно), т.е. для больших диаметров наблюдалось большее уменьшение чувствительности, что связано с уменьшением эффективной излучающей площади пьезоэлемента. 1
Качественно показано, что для наклонных преобразователей при прочих равных условиях снижение чувствительности больше, чем нормальных преобразователей, так как преломление ультразвуковых лучей приводит к дополнительному преобразованию и трансформации волн на криволинейной поверхности. Расхождение ультразвукового пучка предлагается компенсировать различными методами: уменьшением контактной поверхности, применением фокусирующей мозаики в виде отдельных полосок и др. В работе [27] отсутствуют формулы для оценки
Под эффективной излучающей площадью понимается площадь рабочей поверхности преобразователя, соприкасающегося с прослойкой жидкости для акустического контакта. расширения ультразвукового пучка для различных радиусов кривизны, угла ввода и др. Нет рекомендаций для разработки преобразователей, выбора схем и параметров контроля.
Качественное описание формирования акустического поля при наличии криволинейных поверхностей, в целом совпадающее с результатами работ [26, 27], приведено в работах Шрайбера Д.С. и Выборнова Б.И. В них в приближении лучевой акустики показано, что при контроле цилиндрических валов труб или сферических изделий нельзя возбудить только поперечные волны. Наряду с ними возникают продольные и поверхностные волны. В общем случае это приводит к появлению мешающих сигналов и затрудняет расшифровку результатов контроля. В этих работах нет количественной оценки акустического поля преобразователей.
В работе [30] экспериментально оценивается влияние кривизны поверхности изделия на ослабление чувствительности. Показано, что при контроле цилиндрических изделий наклонными преобразователями в направлении перпендикулярно оси кривизна не оказывает влияния (с погрешностью ±2 дБ) на амплитуду эхо-сигналов от искусственных отражателей при уменьшении радиуса до 75 мм. Результаты не зависели от того, притирали призму к поверхности или преобразователь фиксировали на поверхности с помощью дополнительного устройства, если в том и другом случае эффективная излучающая площадь была максимальной и не менялась при изменении радиуса изделия. АРД-диаграммы, построенные для плоских изделий, нельзя применять для криволинейных изделий. Результаты работы [30] весьма ценны для практики УЗК, однако в ней отсутствуют теоретические исследования расходимости пучка и обобщающие выводы, не разработаны АРД-диаграммы.
В работе [31] определено расширение диаграммы направленности при нормальном падении ультразвука на выпуклую цилиндрическую поверхность. В лучевом приближении получен коэффициент ослабления чувствительности. В работе [32] рассчитана чувствительность с учетом влияния размера, ориентации отражателя и чистоты криволинейной контактной поверхности. Исследования работы [32] продолжены авторами работы [33], которая содержит практические рекомендации для настройки чувствительности в контактном варианте эхо-метода. В общем случае для настройки необходимы образцы с таким же радиусом кривизны, что и изделие, или АРД-диаграммы. Для широкого диапазона радиусов требуется большое количество образцов, что связано со значительными затратами на их изготовление. В работе [33] настройку дефектоскопа рекомендуется проводить по плоским образцам, а для компенсации влияния кривизны - вводить поправочный коэффициент С. При нахождении последнего определяется критический радиус Re кривизны изделия - это радиус, при котором амплитуда эхо-сигналов снижается на 2,5 дБ по отношению к плоской поверхности. Значение 2,5 дБ выбрано из условия ее сравнимости с погрешностью измерений амплитуд эхо-сигналов.
Для радиусов R больших Re влияние кривизны не учитывается, для меньших - при настройке вводится поправочный коэффициент, который равен дополнительному усилию (увеличению чувствительности) после настройки на плоском образце. Критический радиус Re определяется теоретически на основе результатов [32] или экспериментально. Исследовалась зависимость поправочного коэффициента С от отношения радиуса изделия и критического радиуса R/Rc для параметров преобразователей: диаметра и частоты пьезоэлемента, а также для различных расстояний до плоскодонного и бокового цилиндрического отражателей. Установлена зависимость С от R/Rc для преобразователей на частоты от 1 до 10 Мгц и диаметром от 0,25 дюйма до 1 дюйма. Это позволило разработать единые принципы нахождения поправочного коэффициента от соотношения R/Rc. Значение Re представлены в удобной форме как произведение четырех сомножителей, каждый из которых определяется соответственно диаметром и частотой преобразователя, свойствами контактной среды, смачиваемостью протектора или призмы преобразователя и свойствами изделия. Даны численные значения этих сомножителей.
В работе [33] показано, что поправочный коэффициент практически не зависит от частоты в диапазоне 1-10 Мгц при постоянном диаметре преобразователя и существенно возрастает при увеличении диаметра (частота постоянна). Очевидно, что это связано с уменьшением коэффициента прозрачности крайних лучей и, как следствие, -расширением диаграммы направленности преобразователя. Коэффициент прозрачности не исследуется и это снижает достоинства работы [33]. Не рассматривается проточка рабочей грани призмы и возникающие при этом эффекты.
Диаграмма направленности в плоскости падения акустической оси наклонного преобразователя со сферической контактной поверхностью
Исследование формирования акустического поля наклонного преобразователя при его контакте со сферической поверхностью изделия в общем виде довольно сложная математическая задача, так как связана с громоздкими и сложными расчетами. Процесс расчета существенно упрощается, если принять вполне приемлемые для практики УЗК допущения. Итак: пьезоэлемент — поршневой источник продольных волн, влиянием других мод на формирование поля пренебрегаем; на излучающей поверхности пьезоэлемента имеет место равномерное распределение амплитуды нормального напряжения ат (или колебательной скорости Um); материал призмы преобразователя (в дальнейшем просто призмы) - оргстекло заменяем эквивалентной жидкостью [26]; диаметр 2ао пьезоэлемента и соизмеримый с ним путь zo ультразвука в призме значительно меньше внешнего радиуса R изделия; расчеты производим для длинноимпульсного излучения (не менее 5-6 периодов в импульсе); искомое поле ищем на расстоянии от излучателя, которые больше величин: диаметра пьезоэлемента и пути в призме 2ао, Zo и в дальней зоне излучателя; контактная (нижняя) грань призмы ПЭП обрабатывается по профилю сферической поверхности изделия.
Задачу об излучении реального преобразователя через сферическую поверхность можно свести к задаче об излучении мнимого источника с амплитудно-фазовым распределением колебаний на его поверхности, как это сделано в работе [36] для прямого ПЭП. Однако, для наклонного ПЭП такой подход приводит к сложным выражениям. В общем виде звуковое давление Р можно представить в виде интеграла Гюйгенса-Гельмгольца [45]. Для рассматриваемого случая можно использовать формулу работы [130]; для определения давления в точке (х, у, z) контролируемой среды: L7t OZ, Z=o где Ро - приложенное постоянное давление преобразователя в пределах поверхности контакта ; r = (x-xx)2 + (у-ух)2 +(z-z,)2 ; dSi=dxidy! - элемент поверхности контакта, к - волновое число продольной волны.
Следует отметить, что задание на поверхности производной давления по нормали вместо давления Ро соответствует заданию нормальной компоненты колебательной скорости [45] применимо лишь для излучения в твердые среды с малым характеристическим импедансом. Нахождение интеграла Гюйгенса-Гельмгольца (2.1) применительно к наклонному падению продольных волн на сферическую границу раздела также приводит к очень громоздким выражениям.
На практике нахождение интеграла реализуется при использовании пространственного преобразования Фурье и нахождении поля в виде суперпозиции плоских волн (метод Вейля-Бреховских [46]). Асимптотическое приближение этого метода в дальней зоне использовано при нахождении упругого поля наклонного преобразователя с плоской границей раздела сред [47].
Различные варианта проточки рабочей поверхности призмы по профилю сферы усложняют расчет поля. В зависимости от соотношения угла Pi наклона акустической оси и угла Ро призмы существуют три варианта проточки грани Pi Po; Pi =Po» Pi Po (рис.2.1). Анализ указанных вариантов позволяет выбрать оптимальный из них, при котором деформация поля наименьшая или, по крайней мере, легко учитывается. Расчет поля для случая Pi po выполнен в работе [40]. Рассмотрим случаи Pi =Po; Pi Ро Расчет будем проводить в такой последовательности. Сначала определяет поле в звукопреломляющей призме, затем, с учетом влияния кривизны, - в контролируемом изделии для случая Pi =pV После этого находим поле в изделии для случая pY p0. При расчете примем, что акустическая ось пьезоэлемента совпадает с диаметральной плоскостью сферы (рис.2.2). После нахождения поля для этой схемы оценим влияние отклонения акустической оси от диаметральной плоскости сферы на искажение поля.
Акустическое поле в призме определяется граничными условиями на поверхности пьезоэлемента. Будем считать также как и в случае плоской поверхности, рассмотренного Диановым Д.Б., что волновой пучок в призме создается круглой пьезопластиной, совершающей толщинные колебания.. Граничные условия в области контакта пьезопластины с призмой зададим в виде: \ ст те ш при х 2+у 2 а2 JZ,Z. = [О прих 2 +у 2 а2 rx.z. = a ,z, = О при 0 х 2 + у 2 да (2.2)
Кроме того, считаем, что на поверхности с контролируемой средой выполняются условия скользящего контакта. Исходным для расчетной модели является выражение поля продольных волн в призме преобразователя для плоской границы раздела [47]. Не выписывая этого выражения, получим поправку, характеризующую поле преломленных сферической поверхностью волн. Для этого необходимо знать угол падения 9i волнового вектора на сферическую поверхность раздела сред (рис.2.2). Для решения задачи о возбуждении поперечных волн преобразователем, призма которого контактирует с поверхностью изделия во всем сечении падающего пучка, необходимо учесть смещение точки выхода преобразователя, обусловленное влиянием сферической поверхности.
Теоретическое исследование коэффициента прозрачности по энергии криволинейной границы оргстекло-сталь
Для проверки эвристической формулы был проведен эксперимент. Для этого был изготовлен полусферический образец радиусом 120 мм. Общий вид образца и схема эксперимента показаны на рис. 3.6. Образец изготовлен из дюралюминия Д16Т. Рабочая грань призмы из оргстекла обработана по сфере 120 мм при условии, что Р і=Ро и акустическая ось находится в диаметральной плоскости. Измерения проводились по совмещенной схеме следующим образом. Преобразователь перемещали по сферической поверхности образца в выбранной диаметральной плоскости (плоскости рис.3.6). Максимальный донный эхо-сигнал наблюдался в положении 1 преобразователя, когда акустическая ось перпендикулярна донной поверхности. В любом другом положении 2 какой-либо боковой луч диаграммы направленности перпендикулярен донной поверхности. Угол а находится из выражения a=360l/27iR, где 1 - расстояние от вершины полусферы до точки ввода, остальные обозначения ясны из рис.3.6. На основе формул работы [57] можно записать выражение для амплитуды Адон эхо-сигнала от донной поверхности: дон 2/2, (r + Z0mcosa0/cosfi0) где Xh - длина поперечных волн в образце, Sa- площадь пьезоэлемента, 5 и б - коэффициенты затухания в оргстекле и дюралюминии. Путь ультразвука zo в призме и образце г является переменной величиной для каждого луча ДН. Однако они выбраны таким образом, чтобы отношение Saexp[-2(5Z0+5 r)]/2A, r+mtoCOsao/cosPo), был постоянно. Окончательно получаем: А сотЮ ФЦа) (3.20)
Длительность излученного импульса равна 7 периодам на уровне 0,1 от максимума, поэтому влиянием импульсного характера излучения на амплитуду эхо-сигнала можно пренебречь.
На рис.3.7. представлены результаты расчета и эксперимента для преобразователей с углами ро=31 (а0=37), ро=42 (ао=50) и р0=53 (а0=65). Для 0=42 (а,о=50) существует хорошее совпадение результатов расчета и эксперимента для основного лепестка ДН (правильнее было бы называть «квазидиаграмма направленности»), при этом коэффициент прозрачности D,itt - медленноменяющаяся функция; зависимость от параметра кривизны y=zo/R до 0,2 - незначительная.
Как уже отмечалось, для близкритических углов призмы коэффициент прозрачности не является медленноменяющейся функцией, поэтому для указанных углов следует ожидать несовпадение теоретических и экспериментальных данных. Это подтверждают графики рис.3.7 для углов призмы Ро=31 и 53. При ро=31 максимум излучения, 40 50 60 70 80 Рис.3.7 Диаграммы направленности наклонных преобразователей г=1,2МГц, 2ао=24мм, параметр кривизны 1 - y=Zo/R=0; 2 - 0,1; 3 - 0,2; эксперимент: 4 -0,1; 5-0,2. найденный экспериментально, наблюдается при больших углах преломления, чем теоретический максимум излучения, для Зо=53 - при меньших углах. Физически этот факт можно объяснить следующим образом. При выбранных: угле призмы 31 и диаметре пьезоэлемента 24 мм коэффициент прозрачности для центрального луча меньше, чем для бокового (см.рис.3.2 и 3.5). Угол падения бокового луча на сферическую поверхность больше, чем для центрального луча, поэтому максимум излучения смещается в сторону больших углов преломления. Из тех же соображений для Ро=53, максимум смещается в сторону меньших углов преломления. Расширения ДН при угле 31 примерно одинаково для расчета и эксперимента и составляет 12на уровне 0,5. При (Зо=53 экспериментальное расширение 23болыпе, чем расчетное 18. Это, очевидно, связано с уменьшением излучающей площади пьезоэлемента при Ро=53, так как для углов преломления а 70 коэффициент прозрачности равен нулю (см. рис. 3.4).
Таким образом, смещение максимума излучения зависит не только от рассмотренных выше вариантов обработки контактной поверхности призмы, но и от выбора угла призмы. В табл.3.1 для заданных отношений tfo/R приведены рассчитанные диапазоны углов призмы при разных углах расходимости ультразвукового пучка. Указанные диапазоны получены из условия, что коэффициент прозрачности уменьшается до уровня 0,7 от значения коэффициента прозрачности для центрального луча. Полученные формулы акустического тракта справедливы для указанного диапазона изменения углов призмы (табл. 3.1).
Сравнение формул акустического тракта дефектоскопа при контроле изделий с плоской и сферической поверхностью
Анализ полученных формул и графиков рис.4.1 и 4.2 показывает, что характер изменения амплитуды Асф эхо-сигналов при контроле сферических изделий отличен от соответствующей зависимости для плоских изделий. Сопоставим влияние на амплитуду коэффициента прозрачности по энергии D,ih. В отличие от плоской границы для сферической существует зависимость коэффициента прозрачности от соотношения радиусов пьезоэлемента и изделия (см. раздел 2). Амплитуда эхо-сигнала в наименьшей мере зависит от коэффициента прозрачности, если этот коэффициент является постоянной или по крайней мере, медленно меняющейся функцией. Для сферической границы по сравнению с плоской сужается диапазон углов призмы, в котором выполняется отмеченное условие. Если коэффициент прозрачности не является медленно меняющейся функцией, то его действие на амплитуду двояко. Во-первых, он искажает акустическое поле излучателя-приемника. То есть определяет совершенно другой закон изменения звукового давления на акустической оси, чем в полученных формулах. Во-вторых, он искажает угол ввода (то есть изменяет угловое положение максимума излучения преобразователя), что приводит, естественно, к дополнительным погрешностям определения координат дефектов. Смещение максимума излучения за счет действия коэффициента прозрачности наблюдается, в отличие от плоской границы, при углах призмы 30 и 50. Расстояние от точки ввода до центра мнимого излучателя по сравнению с плоской поверхностью уменьшается примерно в vv раз. vv «(l+zo/R)(l+Zo/Rcosa). Площадь мнимого излучателя в случае сферической поверхности меньше примерно в (vv ) раз, чем в случае плоской. Индикатрисса рассеяния Фч в формулах акустического тракта для отражателя в виде полосы определяется выражением [26]: sin(&. 26„sine ) Ф -—iJi—а—L±L (4.3) 4 ktbnsm pq для плоскодонного отражателя: 4 к. b„ sine) где bn - половина ширины полосы, Ьпл - радиус плоскодонного отражателя. Как уже указывалось, при контроле сферических изделий угол падения волн на плоскостные дефекты изменяется в больших пределах (от 0 до 90 - ао), поэтому совмещенным преобразователем фиксируется боковой луч или даже центральный луч индикатриссы рассеяния, если (pq=0 (в этом случае принятый эхо-сигнал максимален, при этом угол ввода ао должен быть равным arccsin(l-h/R), где h - глубина дефекта, R - радиус сферической поверхности). Условие фч=0 может быть достигнуто для нижней (корневой) части сварных швов, в которой возможно образование наиболее опасных - плоскостных дефектов (см. раздел 1).
Для плоской границы коэффициент отражения поперечных волн от дефектов принимается равным единице, так как в большинстве случаев угол падения больше третьего критического угла. Для сферической границы указанный коэффициент находится по формуле (3.27), в общем случае он не равен единице.
Анализ АРД-диаграмм показывает что, с увеличением параметра кривизны Zo/R при заданных: постоянном расстоянии г до дефекта, угле призмы, диаметре пьезоэлемента и частоте, амплитуда АСф меньше по сравнению с соответствующей амплитудой Апл для плоской поверхности. Физически это объясняется увеличением расширения диаграммы направленности при возрастании параметра кривизны и соответствующим более быстрым падением амплитуды эхо-сигнала от дефекта (по сравнению с плоской границей). Для практики УЗК важно знать, как отличаются амплитуды Асф и Апл при различных Zo/R, параметрах преобразователя и расстояния до дефекта. Отношение амплитуд при отражении от плоскодонного отражателя с учетом (3.20) и формул акустического тракта Ермолова И.Н. [23, 59], равно: АсФ = (г + mZ0 cos«0/ cos /?0)2 „ 5. А (г + mZ0 cos а01 vv cos Д, )2 (yv f
При расчете предполагалось, что акустическая ось преобразователя перпендикулярна плоскодонному отражателю и коэффициент прозрачности есть медленно меняющаяся функция. Соотношение (4.5) справедливо для варианта проточки контактной поверхности призмы, когда угол наклона Pi акустической оси равен углу ро призмы. Для вариантов pi po и Pi Po правую часть выражения (4.5) следует умножить на коэффициент прозрачности D,ih(P )IDlih(f}0), т.е. для указанных вариантов необходимо учитывать коэффициент прозрачности для центрального луча. Кроме того, параметры кривизны будут иметь другие значения.
На рис. 4.3 показаны кривые, рассчитанные по формуле (4.5). При расстоянии до дефекта 30...40 мм наблюдается резкое снижение Асф/Апл. При больших расстояниях отношение Асф/Апл - практически постоянная величина. Следовательно, в этом случае амплитуду эхо-сигналов в принципе можно рассчитывать по формулам Ермолова И.Н., внося соответствующую поправку на влияние кривизны, и настройку чувствительности производить по плоским образцам с учетом поправки рис.4.3. При этом необходимо знать ослабление эхо-сигналов за счет линзообразного контакта между призмой и плоской поверхностью образца.
Результаты исследований акустического тракта позволяют обосновать методы ультразвукового контроля и определить их параметры и параметры пьезопреобразователей. Рассмотрим эхо-метод контроля совмещенными преобразователями. Применительно к сферическим изделиям указанный метод имеет следующие особенности. Согласно рис.3.8 и 3.12 если поперечные волны падают на плоскостной дефект под третьим критическим углом и плоскость падения перпендикулярна плоскости отражателя, то амплитуда эхо-сигнала при прочих равных условиях уменьшается на 20 дБ. Поэтому для избежания пропуска дефектов диаметральных сварных швов сферических изделий, в частности, корпусов арматуры угол ввода надо выбрать такой, чтобы угол падения на плоскостной дефект был больше третьего критического.
