Введение к работе
-3-
Актуальность темы. Акустический метод контроля занимает доминирующее положение при выполнении перазрушающего контроля множества объектов. Его преимущества - мобильность, гибкость, высокая чувствительность к дефектам различных типов, безопасность для оператора. Информативность акустического метода обеспечивается значительным количеством измеряемых величин - амплитуды, фазы и спектрального состава рассеянных волн, скорости звука и се дисперсии, коэффициентов поглощения и рассеяния звука. Наиболее широко применяется ультразвуковой метод акустического перазрушающего контроля. В свою очередь характеристики и возможности аппаратуры ультразвукового контроля определяются, как правило, параметрами первичных преобразователей механической энергии в электрическую и обратно. 11аи-более широкое распространение получили пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП). Проведение контроля по определенной методике предполагает взаимозаменяемость типовых ПЭП, поэтому очевидна необходимость измерения параметров ПЭП на стадии изготовления экспериментальных, опытных и серийных образцов, входной проверки при приемке в эксплуатацию и периодической поверки в процессе эксплуатации.
Количество ПЭП, ежегодно применяемых в ультразвуковом контроле, весьма велико. Так для эксплуатации штатных средств дефектоскопии рельсов Московской железной дороги в год закупается порядка 10 000 ПЭП; крупный металлургический комбинат требует замены свыше 2000 ПЭП. В то же время брак в партии ПЭП может достигать и 30%. В свою очередь, требования к квалификации специалистов, выполняющих приемочный и периодический контроль ПЭП достаточно высоки, стандарты на измерение параметров ПЭП предполагают длительную многоступенчатую процедуру измерений с применением нескольких дорогостоящих приборов и образцов. Поэтому актуальна задача создания автоматизированной системы, позволяющей оперативно измерять параметры ПЭП с минимальным субъективным участием. В то же время требования к перечню измеряемых параметров ПЭП разнятся на отдельных предприятиях, поэтому разрабатываемая система должна быть настраиваемой под конкретные требования.
Поставка отечественной металлопродукции за границу обязывает производителей соблюдать международные стандарты. Наличие прибора, позволяющего выпол-
-4-нять измерение параметров ПЭП в соответствии с международными стандартами достаточно актуально.
Для систем автоматизированного ультразвукового контроля (АУЗК) с когерентной обработкой данных серии АВГУР калибровка ПЭП перед выполнением контроля является обязательным этапом, для последующей визуализации изображений дефектов. Реализованный в системе алгоритм когерентной калибровки с использованием бокового отверстия в СО-2 обладает рядом недостатков. Поэтому упрощение и автоматизация процедуры когерентной калибровки является актуальной задачей, поскольку позволяет ускорить процедуру, снизить количество ошибок операторов и расширить возможности когерентных методов визуализации дефектов при АУЗК.
Цель и задачи работы. Целью исследования является обеспечение высокой воспроизводимости и производительности измерения параметров пьезоэлектрических преобразователей для ультразвукового контроля за счет создания универсального мобильного прибора, алгоритмов и программного обеспечения для оперативного измерения стандартизованных параметров ПЭП, а также дополнительных параметров ПЭП, используемых в системах ультразвукового контроля с когерентной обработкой данных.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Выполнить анализ отечественной и зарубежной нормативной документации на проведение испытаний ПЭП для ультразвукового неразрушающего контроля.
Разработать и обосновать методику измерения параметров ПЭП в соответствии с требованиями действующих Российских и международных стандартов с применением вновь создаваемых средств измерения параметров ПЭП.
Теоретически и экспериментально обосновать погрешность измерения параметров ПЭП по разработанной методике.
Разработать универсальную автоматизированную установку для измерения параметров ультразвуковых ПЭП.
Разработать алгоритмы когерентной калибровки ПЭП для систем автоматизированного ультразвукового контроля с когерентной обработкой данных АВГУР.
Методы исследований. Для обоснования алгоритмов, используемых при измерении и расчете параметров ПЭП, применялось моделирование полей ПЭП на основе конечноэлементных моделей скалярного волнового уравнения, на основе дискрет-
ного представления пьезопластины и отражателей и расчета полей в приближении геометрической акустики. Для переноса полей ПЭП из одной пространственной области в другие, расчета диаграмм направленности и восстановления изображений отражателей применялись метод угловых спектров и метод проекции в спектральном пространстве, являющиеся математическими методами решения обратной задачи рассеяния. При оценке погрешностей измерений применены статистические математические методы обработки результатов экспериментов. Научная новизна
-
Впервые показана возможность и разработаны алгоритмы приближенного расчета произвольных сечений трехмерной диаграммы направленности при измерении эхосигналов от сферической донной поверхности, приближенного расчета диаграммы направленности и угла ввода ПЭП в основной плоскости при измерении эхосигналов от цилиндрической донной поверхности образца СО-3.
-
Впервые разработал и обоснован приближенный расчет параметров фокуса ПЭП методом угловых спектров по измеренному рассеянному полю от элементарного отражателя в ближней зоне.
-
Разработана, теоретически и экспериментально обоснована методика измерения параметров контактных ПЭП на единственном образце с цилиндрической или сферической донной поверхностью, объединяющая требования Российских и международных стандартов.
-
Разработан алгоритм когерентной калибровки ПЭП на стандартном образце СО-3, модифицированы алгоритмы проекции в спектральном пространстве и метод эталонной голограммы для проведения когерентной обработки данных автоматизированного ультразвукового контроля.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в создании универсальной системы калибровки пьезопреобразователсй АВГУР 5.4, позволяющей при выполнении однократного автоматизированного измерения на одном стандартном образце оперативно получать паспорт ПЭП в соответствии с ГОСТ 23702-90, ГОСТ 14782-86, EN 12668-2, DNV OS-F101, ASTM-E 1065 без применения дополнительного оборудования.
Разработанная система АВГУР 5.4 прошла испытания типа средств измерений, внесена в Государственный реестр средств измерений. Система внедрена в ООО
«НПЦ «ЭХО+», ОАО «Выксунский металлургический завод», ФГУ НУЦ «Сварка и контроль». Система прошла модернизацию и ведомственные испытания в Департаменте пути и сооружений ОАО «РЖД», поставлены десять систем. Алгоритмы когерентной калибровки ПЭП внедрены в системах автоматизированного ультразвукового контроля АВГУР-Т. Системы АВГУР-Т эксплуатируются в ООО «НПЦ «ЭХО+», ЗАО «Промгазинжиниринг», ЗАО «НПЦ «Молния», ООО «Газпром газнадзор». Научные положения, выносимые на защиту
-
Методика и алгоритмы измерения параметров ПЭП на образцах с цилиндрической или сферической донной поверхностью.
-
Алгоритм расчета параметров фокуса ПЭП по полю, измеренному от элементарного отражателя в совмещенном режиме в ближней зоне ПЭП.
-
Алгоритмы когерентной калибровки ПЭП на стандартном образце СО-3 и последующей когерентной обработки данных автоматизированного ультразвукового контроля.
Апробация
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
7-ой международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности». Москва. 2008; 17th World Conference on Nondestructive Testing, 25-28 Oct 2008, Shanghai, China; XX Петербургской конференции «Ультразвуковая дефектоскопия металлов УЗДМ-2009»»; 10-ой международной конференции ECNDT, Москва, 7-12 июня 2010.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе два авторских свидетельства, 5 статей и 3 тезиса докладов.
Структура и объем диссертации
Диссертация изложена на 140 страницах, содержит 42 рисунка, 9 таблиц и состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений и списка литературы из 129 наименований.
