Индикатор динамических дефектов металла на основе СВЧ зондирования Суторихин Владимир Анатольевич

Введение к работе

Актуальность темы. Большинство методов неразрушающего контроля металлов основано на использование контактных способов возбуждения, приема и обработки зондирующих сигналов. Однако есть области, где контактные методы измерений практически неприменимы. Например, контроль объектов, находящихся под воздействием высоких температур и давлений, покрытых слоем изоляции, находящихся в механическом движении. Примером таких объектов являются паропроводы, температура которых может превышать 500-600 градусов Цельсия.

Характеры обнаруживаемых дефектов, динамического или статического, имеют разную степень опасности. Динамический дефект проявляется при усталости металла или при деформации кристаллических решеток, при механических напряженностях внутри металлов, статический дефект – на начальной стадии разрушения металла, наличии внутренних и внешних повреждений. Наиболее актуальным является обнаружение, исследование и определение границ начальной стадии разрушения. Актуальность работы в этом направлении подтверждается наличием различных государственных программ по разработке СВЧ сенсоров для контроля дефектов в металлах

Определение внутренних дефектов с помощью СВЧ излучения до недавнего времени было спорным из-за известных ограничений, считалось, что этот метод не может выявить дефекты внутри металла, внутри сварных швов.

Экспериментальные исследования, проведенные группой профессора Горбунова В.И., доказали изменения поверхностной проводимости металлов с дефектами при акустическом воздействии на металлы. В результате появилась возможность обнаружения начальной стадии разрушения металлов при использовании доплеровских СВЧ радаров, дистанционной регистрации состояния металлических объектов.

Практическая реализация СВЧ сенсоров на основе эффекта Доплера для контроля параметров акустической эмиссии не получила распространения из-за недостаточно высокой чувствительности. Проведенные теоретические исследования предельной чувствительности микроволновых радаров на основе теории колебаний металлической поверхности и теории электромагнитного излучения показали, что их предельная чувствительность сравнима с чувствительностью пьезоэлектрических сенсоров, используемых в дефектоскопии для обнаружения динамических дефектов.

Автором обнаружена и экспериментально доказана возможность существенного повышения чувствительности СВЧ метода дефектоскопии при регистрации динамических дефектов в металлах, подвергающихся ультразвуковому воздействию.

Объектом исследования является исследование возможности использования СВЧ бесконтактных сенсоров для обнаружения различных дефектов в металлических контролируемых объектах.

Предметом исследования является изучение эффекта изменения СВЧ сигнала при наличии различных стадий разрушений металлических конструкций.

Цель работы: разработка прибора для бесконтактной регистрации опасных дефектов на основе СВЧ сенсора, с использованием контактного возбуждения области дефекта ультразвуковыми и термическими воздействиями.

Методы исследований. В связи с отсутствием полноценной теории, объясняющей эффект изменения поверхностной проводимости металлов с дефектами при акустическом воздействии на металлы, основным методом исследования является эмпирический метод. Исследовались особенности взаимодействия ультразвуковых сигналов разной частоты (20-300 кГц) с различными дефектами металлов и возможность регистрации результатов этого взаимодействия при помощи СВЧ излучения на различных частотах (10-33 ГГц). Была обнаружена высокая чувствительность прибора при использовании фазового метода регистрации, позволяющая обнаруживать дефекты различной природы.

Для объяснения природы аномально высокой чувствительности прибора использовался метод теоретического исследования. Была доработана теория взаимодействия СВЧ волн с исследуемыми дефектами металлов, позволяющая рассчитывать предельные характеристики разрабатываемых приборов для обнаружения различных дефектов.

Основные задачи исследований

1. Исследование отражательной способности поверхности металла с динамической неоднородностью, возбуждаемой ультразвуком, при помощи бесконтактных СВЧ сенсоров,

2. Исследование эффекта восстановления релаксационных свойств динамических дефектов при термическом возбуждении с помощью бесконтактного СВЧ сенсора.

3. Теоретические и экспериментальные исследования предельной чувствительности бесконтактных СВЧ сенсоров.

4. Экспериментальное и теоретическое обоснование возможных направлений использования предложенного метода неразрушающего контроля, основанного на преимуществах бесконтактного СВЧ сенсора.

Научная новизна

5. Обнаружен и исследован эффект аномально высокой чувствительности бесконтактных СВЧ сенсоров при воздействии ультразвуком на область расположения дефектов металлов.

6. Доказано, что благодаря взаимодействию динамического дефекта с ультразвуком мощностью 10-20 Вт/см² с диапазоном частот 44-150 кГц существенно, до 45 дБ, увеличивается коэффициент фазовой модуляции отраженного СВЧ колебания частотой 10-40 ГГц.

7. Установлено продолжительное время (часы) индицирования динамических дефектов металла после снятия механических нагрузок.

4. Показана возможность восстановления старых (утративших активность) динамических дефектов металлов на продолжительное время при термическом воздействии на область дефекта.

5. Доказано, что бесконтактный СВЧ сенсор по выявлению динамических дефектов является инвариантным к различным металлам, магнитным и немагнитным.

6. Обнаружены нелинейные свойства поверхностной проводимости при бигармоническом воздействии на дефекты в исследуемых образцах, известные для электронных фазовых модуляторов.

Практическая значимость

1. Предложен высокочувствительный бесконтактный способ выявления динамических неоднородностей в металлах, подвергнутых ультразвуковому воздействию, с помощью СВЧ сенсора.

2. Установлены технические параметры бесконтактного СВЧ сенсора, необходимые для выявления динамических дефектов различной природы при их взаимодействии с ультразвуком.

3. Разработаны бесконтактные СВЧ сенсоры – дистанционные индикаторы активных дефектов (ДИАД), позволяющие выявлять динамические дефекты в металлах при воздействии на них ультразвуком

4. Исследованы и практически проверены ограничения на условия применимости бесконтактного СВЧ сенсора ДИАД в различных областях народного хозяйства.

5. Исследовано влияние термического воздействия на релаксационные свойства динамических неоднородностей для реактивации их полезных свойств

6. Предлагаемый бесконтактный СВЧ сенсор не реагирует на акустические сигналы промышленных помех, что позволяет использовать бесконтактный СВЧ сенсор для работы с объектами без остановки техпроцесса.

Положения, выносимые на защиту

7. Динамические дефекты в металлах при взаимодействии с ультразвуком частот 44-150 кГц мощностью 10-20 Вт/см² увеличивают коэффициент фазовой модуляции СВЧ излучения частотой 30-40 ГГц на 6-50 дБ

8. Термическое воздействие на металл, утративший свойства активности динамического дефекта, температурой не более 250- 300C с последующим быстрым охлаждением восстанавливает прежние значения спектральной плотности полезного сигнала на выходе ДИАД

9. Уровень полезного сигнала ДИАД зависит от уровня ультразвука в месте динамического дефекта и не зависит от места облучения поверхности металлического объекта электромагнитным полем.

10. Вследствие затухания процесса активности динамического дефекта амплитуда полезного СВЧ сигнала снижается со временем.

Достоверность полученных результатов

Достоверность диссертационного исследования обеспечивается сравнением полученных результатов с известными экспериментальными и теоретическими исследованиями других авторов, результатами расчетов на

ЭВМ, подтверждением результатов расчета результатам экспериментов с точностью 2–3 дБ.

Теоретические и экспериментальные результаты, полученные автором, не противоречат известным теоретическим работам (уравнениям Максвелла, формулам Найквиста, Л.Д. Ландау, М.Я. Азбеля, Э.А Канера.)

Достоверность результатов исследований подтверждается

экспериментальной проверкой с помощью серийных измерительных приборов, подтверждением основных положений существующей теории появления переменных электрических зарядов для особых механических напряжений в металле (гипотез Б.В.Васильева, В.Л. Любошица).

Апробация результатов работы

Основные результаты и положения работы докладывались на следующих конференциях и конкурсах:

11. Суторихин В.А. Использование анализаторов спектра и микроволнового сенсора для определения усталостных трещин. Спектрометрические методы анализа // Всероссийская научная Интернет-конференции с международным участием. Казань, 2013.

12. Суторихин В.А. . Необычное взаимодействие ультразвука с дефектами металлов. Современные тенденции в образовании и науке // Международная НПК, Тамбов 2014.

13. Суторихин В.А., Радар Доплера определяет дефекты металлических объектов // VII Международная НПК «Научные перспективы XXI века. Достижения и перспективы нового столетия». № 7, часть 3, Новосибирск, 2014.

14. Суторихин В.А. Эффект Горбунова // Международный конкурс научного представления «Наукоград», 2014 г.

15. Суторихин В.А. Неизвестная ранее объективная закономерность. // ХVII Международная НПК «Научные Перспективы ХХI века. Достижения и перспективы нового столетия», Международный Научный Институт «EDUCATIO», Новосибирск, 2015.

16. Суторихин В.А. . Конкурс «Бит Сибирь 2010». «Прецизионный резец» 11 февраля Красноярск, 2010 г.

Личный вклад автора

Основные исследования по теме диссертации выполнены лично автором. Постановка цели научного исследования и подготовка материалов велась совместно с научным руководителем.

Основные научные результаты, экспериментальные исследования, разработка и изготовление датчика динамических дефектов металла на основе СВЧ зондирования выполнены лично автором. Автором самостоятельно разработаны математические модели и методика испытаний.

Часть работ по испытаниям СВЧ сенсора при использовании режима реактивации выполнены с участием Бричкова С. А.

Практическая реализация разработанного автором комплекта для экспериментальных исследований проводились совместно с Гавриловым А. Н.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 39 работ, в их числе 7 публикаций в заграничных журналах, 5 статей в журналах, входящих в перечень ВАК, 3 патента РФ на изобретения. Остальные работы опубликованы в трудах Международных и республиканских конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, имеет 78 страниц машинописного текста, в тексте приведено 14 рисунков. Список литературы составляет 100 наименований.