Введение к работе
Актуальность темы. Рост потребления металла, необходимость обеспечения безопасной эксплуатации металлоконструкций является сложной и важной проблемой в нашей промышленности. Значительный вклад в решение этой проблемы вносят технологии и средства неразрушающего контроля и технической диагностики, основанные на взаимодействии физических полей с объектом контроля. Одним из самых широко распространенных видов неразрушающего контроля является ультразвуковая дефектоскопия, методы которой позволяют своевременно обнаруживать потенциально опасные дефекты в изделиях.
Наиболее массовой продукцией металлургического производства является горячекатаный листовой прокат из черных и цветных металлов. Сплошной и эффективный контроль качества таких изделий может быть реализован с помощью автоматизированных систем, использующих эхо и теневые методы ультразвуковой дефектоскопии с механическим и электронным сканированием. Внедрение теневых многоканальных позволил исключить поставку бракованной продукции потребителям и существенно улучшить технологию изготовления листов. В начале семидесятых годов прошлого века в связи со значительным повышением требований к качеству проката возникла задача резкого повышения чувствительности контроля. В этот период отечественными учеными для повышения чувствительности контроля горячекатаного листового проката предложены комбинированные методы ультразвуковой дефектоскопии: многократно- теневой, эхо-сквозной и эхо-метод с регистрацией сигналов во втором временном интервале. Однако применение этих методов в условиях действия дестабилизирующих факторов проката, таких как шероховатость поверхности, непланшетность его граней (коробоватость и волнистость), разнотолщинность, наличие крупнозернистой структуры не всегда обеспечивает требуемую чувствительность и достоверность. Возникающие при этом ошибки приводят к аварийным последствиям при эксплуатации изготовленных из листов изделий (транспорт, энергетика, судостроение, химическое машиностроение) или к неоправданным затратам на ремонт или замену бездефектных изделий. Поэтому разработка высокочувствительных и надежных средств контроля требует поиска новых и развития известных физических принципов дефектоскопии, учета влияния помех, оптимальной обработки информации.
К металлу проката предъявляются весьма жесткие требования по их физико-механическим характеристикам, к числу которых обычно относят упругие (модуль Юнга, модуль сдвига, коэффициент Пуассона), прочностные (предел прочности, предел текучести, твердость), структурные (средний размер зерна). Измерение указанных характеристик по штатной технологии осуществляют на образцах специальной формы, вырезанных из металла листа, в основном, путем разрушающих испытаний. Поэтому разработка нераз-
!
|>ОС НАЦИОНАЛЬНА)! J БИБЛИОТЕКА |
рушающих акустических методов и средств измерения физико-механических характеристик материала листового проката является актуальной задачей.
Это потребовало решения научно-технической проблемы по развитию существующих и разработке новых методов и средств автоматизированного ультразвукового контроля сплошности, толщины и физико-механических характеристик металла горячекатаного листового проката из черных и цветных металлов.
Исследования, посвященные решению этой проблемы, начаты автором в начале семидесятых годов и выполнялись по планам научно-исследовательских работ Министерства металлургии СССР, координационным планам АН СССР по проблемам "Ультразвук", "Неразрушающие физические методы контроля", программам Министерства образования Российской Федерации, в рамках НИОКР, выполняемых по заказу отдельных предприятий, а также тематическим планам Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ7
Результаты исследований и разработок, полученных при выполнении указанных планов НИОКР, изложены в настоящей диссертационной работе. Целью работы является повышение качества толстолистового проката благодаря внедрению высокочувствительного, достоверного и надежного неразрушающего автоматизированного ультразвукового контроля сплошности, толщины и физико-механических характеристик его материала за счет развития известных и создания новых методов с учетом дестабилизирующего влияния действующих помех.
Для достижения поставленной цели потребовалось:
-
Выполнить комплекс теоретико-экспериментальных исследований акустических трактов многократно-теневого, эхо-сквозного и эхо-метода с регистрацией сигналов во втором временном интервале.
-
Исследовать влияние шероховатости и непланшетности (коробоватости и волнистости) поверхности проката, как основного вида несовершенств контролируемого объекта, на чувствительность и достоверность контроля выше указанными методами.
-
Оценить точность регистрации условных размеров обнаруживаемых при контроле несплошностей и величину неконтролируемых прикромочных зон путем исследования дифракции ультразвукового пучка на ребре непрозрачной полуплоскости (модель дефекта) и кромке листа.
-
Разработать методологию выбора основных параметров контроля (рабочая частота, размер преобразователя и др.), обеспечивающих максимальную реализуемую чувствительность и минимальное влияние акустических помех при контроле проката из крупнозернистого металла эхо и эхо-сквозным методами.
-
Создать безэталонный способ измерения толщины листового проката в процессе его ультразвукового контроля в динамическом режиме.
-
Разработать и исследовать экспресс-методы ультразвукового контроля физико-механических характеристик материала движущегося листового проката.
-
Обосновать функциональные решения и принципы построения аппаратуры для автоматизированного контроля листового проката с доведением их до практического внедрения.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовалось представление звукового пучка излучателя в виде суперпозиции сферических или плоских волн (интегральные формулы Гюйгенса и Вейля-Бреховских), применялись интегральная формула Кирхгофа, методы математического анализа, интегрального исчисления, преобразования Фурье. Определение статистических характеристик флуктуации акустических сигналов проводилось на основе использования общепринятых методов теории случайных процессов. Математическое моделирование осуществлялось на базе вычислительных средств общего применения с использованием математических пакетов MathCad и MathLab. Результаты теоретических исследований проверялись экспериментально в лабораторных и производственных условиях с использованием метрологически поверенной аппаратуры. Обработка результатов экспериментов проводилась с применением методов теории вероятности и математической статистики.
Научная новизна работы.
-
Предложены новые ультразвуковые способы неразрушающего контроля металлопродукции: многократно-теневой и эхо-метод с регистрацией сигналов во втором временном интервале, обеспечивающие повышение чувствительности при существенном сокращении "мертвой зоны".
-
Установлены закономерности взаимодействия амплитуд прошедших и отраженных акустических сигналов от несплошностей в виде непрозрачных дисков и полуплоскости при контроле объектов с плоскопараллельными поверхностями многократно-теневым, эхо-сквозным и эхо-методом с регистрацией сигналов во втором временном интервале; сформулированы предложения по использованию этих методов для неразрушающего контроля толстолистового проката.
-
Установлены информационные характеристики теневого метода с регистрацией второго прошедшего импульса, отношения второго прошедшего импульса к первому, эхо-сквозного и эхо-метода с регистрацией сигналов во втором временном интервале, позволяющие определять оптимальные параметры контроля этими методами и осуществлять настройку аппаратуры на заданную чувствительность.
-
Установлены закономерности прохождения акустических сигналов при их многократном взаимодействии с поверхностными неоднородностями (шероховатостью и непланшетностью поверхностей проката); показано, что максимальная чувствительность многократно-теневого метода соответствует регистрации второго прошедшего импульса.
-
Установлена зависимость изменения амплитуд многократно прошедших через лист и донных сигналов при изменении угла наклона листа в акустическом тракте, вызванного коробоватостью и волнистостью.
-
Вскрыта связь амплитуды трансформированных на поверхностях изделия акустических сигналов от волновых размеров преобразователей, толщины листа и угла его наклона, определяющих предельную чувствительность контроля эхо-сквозным и эхо-методом с регистрацией сигналов во втором временном интервале.
-
Установлены закономерности влияния структурных реверберационных шумов на чувствительность контроля листов с крупнозернистой структурой эхо и эхо-сквозным методами; получены аналитические выражения для расчета оптимальной рабочей частоты, обеспечивающей максимальную чувствительность контроля.
-
Определена связь амплитуды, длительности и спектра прошедших и донных импульсов с параметрами периодической шероховатости поверхностей объекта контроля; предложен способ определения высоты неровной поверхности.
-
Предложены способы безэталонного измерения толщины и физико-механических характеристик материала листового проката, основанные на его сквозном прозвучивании в иммерсионном варианте.
10.Предложены новые функциональные решения основных узлов аппаратуры, обеспечивающие повышение помехозащищенности и чувствительности автоматизированного контроля листового проката многократно-теневым, эхо-сквозным и эхо-методом с регистрацией сигналов во втором временном интервале.
Научная новизна проведенных исследований и разработок подтверждается 45
авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.
Практическая ценность результатов исследований определяется ее теоретико-прикладной направленностью, ориентированной на применение ультразвуковых методов контроля листового проката. Полученные в работе закономерности изменения амплитуд прошедших через несплошности и отраженных от них сигналов в зависимости от параметров акустического тракта, шероховатостей и непланшетности граней листа позволяют производить обоснованный выбор оптимальной рабочей частоты, размеров преобразователей, расстояний между ними для проектирования ультразвуковых автоматизированных дефектоскопов. Технические решения по использованию предложенных методов и устройств положены в основу систем контроля листового проката из черных и цветных металлов УДЛ-1, УДЛ-2, ДУЭТ-2, УДЛ-1 Ф, УЗУП, УЗУП-М2, разработанных и изготовленных при участии и руководстве автора. Результаты работы использованы при разработке ГОСТа 22727-88 «Сталь толстолистовая. Методы ультразвукового контроля сплошности».
На защиту выносится:
1. Система высокочувствительного, достоверного и надежного автоматизированного ультразвукового контроля сплошности, толщины и физико-механических характеристик толстолистового проката, базирующаяся на развитых (эхо-сквозной) и созданных в работе (многократно-теневой и эхо-метод с регистрацией сигналов во втором временном интервале) методов и принципов построения аппаратуры, обеспечивающих значительное повышение его качества.
2. Закономерности ослабления амплитуд регистрируемых акустических
сигналов, прошедших через контролируемый лист при его многократном
взаимодействии с внутренними несплошностями в виде акустически непро
зрачных дисков и полуплоскости, расчетные аналитические выражения,
АРД- диаграммы для оценки чувствительности контроля и номограммы для
определения систематических ошибок условных размеров обнаруженных
дефектов.
3. Закономерности прохождения звукового пучка вблизи боковой
кромки листа, формулы и номограммы для определения величины прикро-
мочной мертвой зоны контроля теневым, зеркально-теневым и многократно-
теневым методами.
-
Методика и обобщенные аналитические зависимости для определения оптимальной рабочей частоты и максимально реализуемой чувствительности при контроле листового проката многократно-теневым, эхо-сквозным и эхо-методом с регистрацией сигналов во втором временном интервале с учетом действия дестабилизирующих факторов (шероховатости и неплан-шетности поверхности, структурных реверберационных помех) и заданных вероятностей недобраковки и перебраковки.
-
Способ безэталонного измерения толщины листового проката в процессе ультразвукового контроля в иммерсионном варианте.
-
Способы ультразвуковых измерений упругих (модуль Юнга, модуль сдвига, коэффициент Пуассона), прочностных (предел прочности, предел текучести, твердость) и структурных (средний размер зерна) характеристик материала движущегося листового проката.
-
Принципы построения и функциональные решения узлов многоканальных автоматизированных ультразвуковых систем для контроля сплошности, толщины и физико-механических характеристик листового проката многократно-теневым, эхо-сквозным и эхо-методом.
Внедрение результатов работы.Методика инженерного проектирования, разработанная в диссертационной работе, используется на кафедре электроакустики и ультразвуковой техники СПбТЭТУ «ЛЭТИ» при разработке и изготовлении автоматизированных систем для контроля толстолистового проката по заказам металлургических предприятий. Разработанные под руководством автора диссертационной работы установки эксплуатировались или продолжают работать на ОАО «Красный выборжец», ОАО «Ижорские заво-
ды». Рекомендации, в части контроля многократно-теневым и эхо-сквозным методом использованы в ГОСТе 22727-88. Результаты работы используются в учебном процессе по специальности 190200 «Приборы и методы контроля качества и диагностики», что отражено в пятнадцати учебных пособиях для студентов «ЛЭТИ».
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 9-ти Всесоюзных и Российских конференциях «Неразрушающий контроль и диагностика», X (Москва, 1982) Международной конференции по неразрушающему контролю, 6-ти Всесоюзных акустических конференциях и сессиях РАО, международной конференции «Дефектоскопия-89» (Пловдив, Болгария), на НТК «Неразрушающий контроль в науке и индустрии (Москва, 1994), на НТК с международным участием «Физика и техника ультразвука -97», 12-ти Петербургских научно-технических конференциях по ультразвуковой дефектоскопии металлоконструкций, на 3-х Международных конференциях «Физические методы и средства контроля» - ЛЕОТЕСТ (Львов), на Ш-ей Международной конференции «Неразрушающий контроль изделий из полимерных материалов» (Туапсе, 1989), на ГХ-ом Международном симпозиуме по неразрушающий методам характеризации материалов (Сидней, Австралия, 1999), Международном Форуме «Ультразвуковая дефектоскопия -75» Санкт-Петербург, 2003), на региональных и республиканских конференциях, ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 180 печатных работ, в том числе: 1 - брошюра, 58 статей в журналах (в том числе 19 в журнале РАН «Дефектоскопия», 45 авторских свидетельств и патентов на изобретения, 17 учебно-методических пособий. В автореферате приведено 120 наиболее значимых работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы (350 наименований) и приложения. Объем диссертации составляет 400 страниц, включая 157 рисунков и 7 таблиц.
