Введение к работе
Актуальность темы исследования. Линейно-протяженными принято называть объекты, длина которых превышает прочие размеры в сто и более раз. В номенклатуре металлообрабатывающей промышленности к линейно-протяженным объектам относятся стальной прутковый прокат и разнообразные изделия из него (насосные штанги, валы центробежных насосов, тросы, арматура и прочее). Данные изделия находят широкое применение в различных отраслях (металлургия, машиностроение, транспорт, нефтяная и газовая промышленность). Гарантией безаварийной работы указанных изделий является выявление недопустимых дефектов на стадии прутка-заготовки. Важной особенностью таких объектов является трудность реализации применительно к ним стандартных методик неразрушающего контроля (НК). Традиционно для контроля подобных объектов используют вихретоковый, магнитный и ультразвуковой (УЗ) методы контроля, имеющие общий недостаток - необходимость сканирования объекта, что отрицательно сказывается на производительности установок. Вихретоковый и магнитный виды НК, несмотря на преимущество бесконтактной работы, не позволяют выявлять внутренние дефекты и характеризуются неоднозначностью интерпретации результатов контроля. Контактные УЗ методы требуют высокого качества обработки поверхности объекта и применения контактных сред, что зачастую трудновыполнимо, особенно для горячекатаного проката и проката малых диаметров. В связи с этим все больший интерес у отечественных и зарубежных разработчиков вызывают методики, основанные на использовании нормальных волн (Лэмба и Похгаммера), распространение которых возможно только в протяженных объектах. Среди их преимуществ - отсутствие необходимости сканирования, как следствие, возможность контроля при локальном доступе к объекту, высокая производительность контроля, возможность выявления дефектов различного типа.
Как правило, при реализации волноводных методик контроля используют классический эхо-метод, как наиболее чувствительный к дефектам. Известно, что комбинированный эхо-сквозной метод объединяет преимущества амплитудного теневого и эхо-метода, однако его чувствительность ограничена количеством сквозных прозвучиваний в связи с потерями, обусловленными затуханием ультразвука в материале, расхождением ультразвукового пучка, потерями при отражении на границе объект контроля - контактная жидкость - преобразователь, отражательной способностью дефекта. При реализации волноводного контроля прутков с использованием стержневой (крутильной) волны ввиду отсутствия потерь на расхождение и несущественного затухания в области низких частот, возможно наблюдение серии многократных отражений зондирующего импульса от дефектов и свободных торцов прутка в достаточно протяженных объектах. Дополнительные преимущества позволяет получить реализация полностью бесконтактной методики волноводного контроля с использованием электромагнитно-акустических (ЭМА) преобразователей. Отсутствие потерь на поглощение энергии преобразователем позволяет еще более увеличить чувствительность метода к дефектам, а также использовать в качестве информативных дополнительные параметры - скорость и затухание УЗ волны.
В связи с этим, весьма актуальным представляется исследование круга вопросов, связанных с научным обоснованием и разработкой методики и аппаратуры волноводного ЭМА контроля стального пруткового проката с использованием эхо-сквозного метода на многократных отражениях.
Работа выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» (проект №2.1.2/12069); Программы стратегического развития ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т.Калашникова» на 2012-2016 (проект ПСР/М2/Н2.5/МВВ); государственного задания Министерства образования и науки РФ ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» на 2012-2014 годов в части проведения научно-исследовательских работ (проект № 7.1378.2011); гранта Американского акустического общества (ASA, 2000 г.).
Степень разработанности темы. Потенциальные возможности волноводного акустического метода, обуславливают все возрастающий интерес к нему множества научных школ и фирм-разработчиков. Исследования в этой области проводятся в России (СПбГЭТУ «ЛЭТИ», МГТУ им. Баумана, ИжГТУ имени М.Т. Калашникова, ООО «Акустические Контрольные Системы», ЗАО «НИИ-ИН МНПО «СПЕКТР»), на Украине (Национальный технический институт Украины «КПИ», Институт электросварки им. Э.С. Патона), в Респ. Молдова (НИИНК АО «ИНТРОСКОП»), в университетах США, Великобритании, Италии, Респ. Корея и многих других странах.
Преимущественно разрабатываемые системы волноводного акустического контроля ориентированы на контроль крупногабаритных объектов, например, труб нефте- и газопроводов, эхо-методом с использованием волн Лэмба и крутильных волн (система WaveMaker, Guided Ultrasonics, Ltd., Великобритания; система Teletest, MetalCare Inspection Services, Inc., Канада; система Long Range Guided Wave Ultrasonic Inspection System, Dacon Inspection Services Co., Ltd., Таиланд). Для возбуждения и приема акустических волн используются, как правило, сложные многоэлементные системы фазированных датчиков.
Целью работы является: научное обоснование и разработка методики и аппаратуры волноводного ЭМА контроля стального пруткового проката с использованием эхо-сквозного метода на многократных отражениях для повышения чувствительности методов и средств волноводного контроля.
Цель соответствуют следующим областям исследования по паспорту специальности 05.1.13: п.1. «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»; п. 2. «Разработка и оптимизация методов расчета и проектирования элементов, средств, приборов и систем аналитического и неразрушающего контроля с учетом особенностей объектов контроля»; п.З. «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами».
В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи:
1. Разработка математической модели распространения волн в прутках в условиях многократных отражений.
-
Экспериментальные исследования процессов распространения стержневых волн в прутках в условиях многократных отражений и обоснование информативных параметров волноводного ЭМА метода.
-
Разработка методов проектирования аппаратуры, реализующей волновод-ный ЭМА метод на многократных отражениях.
-
Аппаратная реализация акустических волноводных методик с использованием ЭМА принципов возбуждения и приема акустических волн.
Объект исследований: методика и аппаратура волноводного акустического контроля прутков.
Предмет исследований: модели процессов распространения стержневых волн в прутках и их взаимодействия с дефектами в условиях многократных отражений, информативные параметры и методика волноводного акустического контроля, расчет и проектирование элементов аппаратуры при реализации ЭМА метода возбуждения и приема акустических волн.
Методология и методы исследования: при разработке моделей процессов распространения стержневых волн и их взаимодействия с дефектами использован аппарат теории упругости, теории акустики твердого тела. При экспериментальных исследованиях использовался ЭМА метод на многократных отражениях, реализованный с использованием двухполярного возбуждения, методы статистической обработки экспериментальных данных.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждены корректным использованием методов теории упругости, акустики твердого тела, сопоставлением теоретических и экспериментальных результатов, оценкой погрешности измерений, воспроизводимость экспериментальных результатов, использованием в работе поверенных средств измерений.
Научная новизна.
-
Разработана модель акустического тракта волноводного метода при контроле пруткового проката в условиях многократных отражений, основанная на закономерностях распространения стержневой волны в прутке и их взаимодействия с модельным отражателем, учитывающая параметры аппаратуры (способ возбуждения и приема, рабочая частота), геометрические параметры и упругие свойства объекта контроля.
-
Оценена чувствительность волноводного метода контроля в условиях многократных отражений в зависимости от количества регистрируемых отражений, геометрических параметров объекта и модельного отражателя, рабочей частоты аппаратуры с использованием стержневых и крутильных волн, позволившая оптимизировать основные параметры аппаратуры.
-
Обоснованы новые информативные характеристики (коэффициенты отражения от дефектов на любых отражениях, ослабление импульсов многократных отражений, скорость распространения волны, эффективность ЭМА преобразования) и предложена методика их оценки с минимальной погрешностью для реализации возможностей дефектоскопии и структуроскопии волноводным методом.
-
Разработаны методы проектирования элементов генератора зондирующих импульсов и ЭМА преобразователей стержневых волн, оптимизированы методы расчета приемно-усилительного тракта при реализации полностью бескон-
тактной методики контроля пруткового проката с позиций достижения максимальной чувствительности метода, минимизации искажений принимаемых импульсов, минимизации мертвой зоны, защиты от зондирующего импульса и внешних помех, высокого отношения сигнал-шум, уменьшения остаточной намагниченности прутка.
Теоретическая и практическая значимость.
Математическая модель акустического тракта волноводного метода на многократных отражениях может служить основой при разработке методик и средств волноводного контроля при различных параметрах объекта и аппаратуры контроля.
Методика волноводного ЭМА контроля прутков в условиях многократных отражений обладает следующими преимуществами: существенное повышение чувствительности к дефектам при анализе сигнала на дальних отражениях на фоне электрических шумов и акустических сигналов, обусловленных волнами нежелательного типа; повышение информативности контроля за счет использования дополнительных информативных характеристик; улучшение разрешающей способности и уменьшение мертвой зоны за счет получения более низкодобротных сигналов; возможность реализации контроля при одностороннем доступе к торцу прутка; возможность автоматизации контроля за счет использования проходных ЭМА преобразователей.
Данные об эффективности ЭМА преобразования, скорости и затухания стержневых волн позволили оценить степень контролепригодности прутков из конструкционных сталей при контроле волноводным ЭМА методом на многократных отражениях.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, методики проектирования элементов аппаратуры ЭМА контроля использованы при разработке акустических дефектоскопов прутков (АДП), насосных штанг (АДНШ), насосно-компрессорных труб (АДНКТ) (изготовитель ООО «НПИЦ «Качество», акт о внедрении прилагается).
Результаты исследований внедрены в учебный процесс подготовки бакалавров по направлению 200100 «Приборостроение» (акт о внедрении ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова»).
Положения, выносимые на защиту.
-
Разработанная математическая модель акустического тракта волноводного метода на многократных отражениях при контроле пруткового проката, учитывающая затухание стержневой волны, ее взаимодействие с дефектами, способ возбуждения и приема, геометрические параметры объекта контроля и модельного отражателя, упругие свойства объекта, рабочую частоту.
-
Выявленные зависимости чувствительности метода на многократных отражениях от количества регистрируемых отражений при контроле прутков различной длины на различной рабочей частоте с использованием стержневых и крутильных волн.
-
Научно-обоснованные информативные характеристики волноводного метода контроля в условиях многократных отражений: коэффициенты отражения от дефектов на любых отражениях, ослабление импульсов многократных отражений, скорость распространения волны, эффективность ЭМА преобразования.
4. Способ возбуждения ЭМА преобразователя с помощью двухполярного зондирующего импульса и результаты оптимизации приемно-усилительного тракта при реализации бесконтактной методики контроля пруткового проката.
Личный вклад автора. Разработка теоретической части работы, экспериментальные исследования, разработка и изготовление опытных установок, анализ полученных данных были проведены автором лично. Выбор приоритетов, направлений и методов исследования и форм представления результатов, формирование структуры и содержания работы, формулирование основных положений выполнены при активном участии научного руководителя д.т.н., профессора Муравьевой ОБ.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня: IX Европейской конференции по неразрушающему контролю (г. Берлин, 2006 г), Международной конференции «Defektoskopie 2005» (г. Зноймо, Чехия, 2005 г.); III Международной конференции «Диагностика трубопроводов» (г.Москва,
-
г.), III Международной научно-технической конференции «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (г. Тюмень, 2005 г.); Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения» (г.Тверь,
-
г.); научно-технических конференциях «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 2004, 2006, 2011 гг.); II Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, посвященной 60-летию Ижевского государственного технического университета имени М.Т. Калашникова (г. Ижевск, 2012 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ, из них 8 статей в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 18 публикаций в сборниках трудов конференций..
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 176 наименований, 2 приложений. Основная часть диссертации изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка и 14 таблиц.
