Введение к работе
Актуальность. Среди многообразия изделий металлургической, машиностроительной, нефтяной промышленности, транспорта имеется широкая номенклатура протяженных объектов, длина которых превосходит поперечные размеры в 100 и более раз. К таким объектам можно отнести прутковый прокат различного профиля, трубы, проволоку и изделия из них — насосные штанги, насосно-компрессорные трубы, тросы, пружины, токоведущие провода, рельсы и другие. Выход из строя многих из этих объектов может иметь серьезные экологические и экономические последствия. Так, разгерметизация насосно-компрессорных труб или обрывы насосных штанг, используемых в нефтедобывающих скважинах, приводят к длительным простоям и необходимости выполнения сложного и дорогостоящего подземного ремонта.
Традиционно для контроля подобных объектов используют вихретоковый, магнитный и ультразвуковой (УЗ) методы контроля, имеющие общий недостаток — необходимость сканирования тела объекта, что отрицательно сказывается на производительности установок. Контактные УЗ методы требуют тщательной обработки поверхности контролируемых объектов и применения контактной жидкости. Вихретоковые и магнитоиндукционные методы, несмотря на преимущество бесконтактной работы, выявляют лишь поверхностные и приповерхностные дефекты.
В настоящее время в России и за рубежом наблюдается повышенный интерес к методам неразрушающего контроля протяжённых объектов, основанным на использовании нормальных волн (Лэмба, SH-, Похгаммера), — волноводным (wave guided) методам. Среди их преимуществ — отсутствие необходимости сканирования (как следствие, меньший износ контактной поверхности датчика, возможность контроля при локальном доступе, высокая производительность контроля), а также возможность выявления дефектов различного типа. Недостатки связаны с возможностью одновременного существования в линейно-протяженном объекте (волноводе) большого количества мод различного типа и порядка, для большинства из которых характерна дисперсия скорости, что накладывает ряд ограничений по выбору частоты и типа волны и может затруднять интерпретацию полученных результатов.
В ряде работ для контроля линейно-протяженных объектов предлагается использование стержневой волны 7,(0,1) в области минимальной дисперсии скорости и моды 71(0,1) крутильной волны, дисперсия в которой отсутствует. В качестве информативного параметра при волноводном контроле линейно-протяженных объектов, как правило, используется коэффициент отражения. Указанный параметр не позволяет выявлять продольные дефекты, не образующие резких перепадов в геометрии поперечного сечения объекта, и дефекты типа отклонения от заданного профиля.
Отсутствие работ по исследованию закономерностей распространения крутильных волн с продольными дефектами и обоснованию новых информативных
параметров является одной из причин отсутствия надежных и эффективных методов контроля линейно-протяженных объектов с продольными дефектами.
Работа выполнялась в рамках фундаментального исследования по заданию Федерального агентства по образованию вуза Ижевский государственный технический университет, 2007 г., тема НИР «Исследование процессов распространения акустических волн в протяженных объектах и их взаимодействия с дефектами», регистрационный номер: НИР 1.9.05 (2005-2007 гг.); аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» по проекту № 2.1.2/12069 «Исследование информативных параметров электромагнито-акустического преобразования при неразрушающем контроле протяженных и массивных объектов металлоконструкций».
Целью данной работы является исследование особенностей распространения крутильных волн в линейно-протяжённых объектах с продольными дефектами для повышения информативности волноводного акустического контроля.
В соответствии с поставленной целью сформулированы и решены следующие задачи:
Комплексный анализ теории и практики использования акустических вол-новодных методик неразрушающего контроля.
Обоснование и разработка моделей взаимодействия крутильных волн с продольными дефектами линейно-протяженных объектов.
Исследование скорости распространения крутильных волн в прутках и трубах с продольными дефектами.
Исследование скорости распространения крутильных волн в зависимости от формы профиля сортового проката.
Обоснование информативных параметров, разработка методик и критериев браковки и оценка основных параметров контроля линейно-протяженных объектов с использованием крутильных волн.
Объект исследований. Физические процессы распространения крутильных волн в линейно-протяженных объектах с продольными дефектами.
Предмет исследований. Модели процессов и закономерности взаимодействия крутильных волн с дефектами, информативные параметры и методики контроля линейно-протяженных объектов с продольными дефектами.
Методы исследования. При разработке моделей процессов распространения крутильных волн и их взаимодействия с дефектами линейно-протяженных объектов использованы аппараты теории упругости, теории акустики твердого тела, теории механики твердого тела. Численное моделирование реализовано методом конечных элементов. При экспериментальных исследованиях использован метод многократных отражений, включающий эхо-сквозной метод, амплитудно-теневой метод, временно-теневой метод.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждены корректным использованием методов теории упругости, теории акустики твердого тела, теории механики твердого тела, метода конечных элементов; методов статистической обработки; сравнением результатов численных и анали-
тических расчетов и экспериментальных результатов, воспроизводимостью экспериментальных данных, использованием при экспериментальных исследованиях поверенных средств измерений, оценками погрешностей исследований. Научная новизна
Разработана и обоснована конечно-элементная модель и алгоритм расчета скорости распространения крутильных волн в линейно-протяженных объектах и их взаимодействия с продольными дефектами, учитывающая тип и параметры дефекта, профиль, размеры и упругие свойства объекта.
Впервые исследовано влияние параметров дефектов типа протира, продольной трещины, разностенности и овальности в трубах и прутках на скорость крутильной волны и оценена предельная чувствительность данного информативного параметра к глубине продольных дефектов в трубах и прутках, составляющая 1 мм для дефектов типа протира и продольной трещины; 0,5 мм для дефектов типа разностенности и овальности.
Обоснован новый информативный параметр контроля — обобщенная скорость крутильной волны — для выявления продольных дефектов линейно-протяжённых объектов и разработаны новые методики определения глубины протира, продольной трещины, разностенности и овальности в трубах и прутках, основанные на определении обобщенной скорости крутильной волны и протяженности дефекта.
Обоснованы основные параметры контроля линейно-протяжённых объектов различного профиля с использованием крутильных волн (мертвая зона, разрешающая способность, рабочая частота).
Практическая значимость. Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке методик контроля насосно-компрессорных труб на наличие продольных дефектов, реализованных в дефектоскопе АДНКТ (изготовитель ООО «НПИЦ «Качество»), внедренном на участке ремонта насосных штанг и насосно-компрессорных труб ОАО «Белкам-нефть» в с. Каракулино, Удмуртская Республика (акт о внедрении 000 «НПИЦ «Качество»).
Результаты исследований внедрены в учебный процесс подготовки бакалавров по направлению 200100 «Приборостроение» в виде лабораторных работ по курсам «Ультразвуковые методы и средства неразрушающего контроля», «Нераз-рушающий контроль в производстве» (акт о внедрении ФГБОУ ИжГТУ).
Предложенные модели и методы расчёта могут быть использованы для анализа процессов распространения и взаимодействия с дефектами крутильных волн в протяжённых объектах из различных материалов со сложной геометрией сечения (токоведущие провода, рельсы и др.) для предварительной оценки основных параметров контроля; а также для оценки взаимодействия крутильных волн с различными моделями дефектов с целью дальнейшего развития волноводных методов акустического контроля линейно-протяжённых объектов. Положения, выносимые на защиту: 1. Разработанные конечно-элементные модели и алгоритмы расчёта скорости распространения крутильных волн в линейно-протяжённых объектах с продольными дефектами и в прокате произвольного профиля.
Выявленные закономерности изменения скорости распространения крутильных волн в прутках и трубах от параметров продольных дефектов и профиля проката.
Научно обоснованные информативные параметры контроля для выявления продольных дефектов в линейно-протяжённых объектах.
Разработанные методики оценки глубины протира, трещины, разностенно-сти, овальности труб и прутков по значению обобщенной скорости крутильной волны.
Обоснованные основные параметры контроля линейно-протяжённых объектов различного профиля.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня: Международной конференции «Defektoskopie 2005» (г. Зноймо, Чехия, 2005 г.); III Международной научно-технической конференции «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (г. Тюмень, 2005 г.); III Научно-технической конференции «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург, 2007 г.); XXV Уральской конференции «Физические методы неразрушающего контроля» (г.Екатеринбург, 2011г.); научно-технических конференциях «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 2004 и 2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 3 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 6 публикаций в сборниках трудов конференций, 2 итоговых отчета по НИР.
Личный вклад автора. Результаты численных и экспериментальных исследований, модели, алгоритмы и методики, представленные в диссертации, получены автором лично. Экспериментальная установка, используемая при исследованиях, разработана коллективом кафедры «Приборы и методы контроля каче-
ства» под руководством д.т.н., профессора руденкова Г.А.| Выбор приоритетов, направлений и методов исследования и форм представления результатов, формирование структуры и содержания работы, формулирование основных положений выполнено при активном участии научного руководителя д.т.н., профессора Муравьевой О.В.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 157 наименований, 5 приложений. Основная часть диссертации изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка и 16 таблиц.
