автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Исследование и разработка методов и средств повышения достоверности ультразвукового контроля толщины

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ.

ПРЕДИСЛОВИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ, СОСТОЯНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ УЗТ (АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР)

1.1. Источники и механизмы возникновения погрешностей при ультразвуковой толщинометрии.

1.2. Методы и средства проверки работоспособности и определения погрешностей измерений УЗТ

1.3. Задачи исследований.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АКУСТИЧЕСКОГО ТРАКТА ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТОЛЩИНОМЕТРИИ.

2.1. Вводные замечания.

2.2. Измерения на клиновидной стенке.

2.3. Измерения на криволинейной стенке.

2.4. Способ регулирования параметров акустического тракта

2.5. Выводы.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ УЗТ

3.1. Методика и результаты экспериментальных исследований

УЗТ на ОК с влияющими факторами.

3.2. Методика и результаты экспериментальных исследований преобразователя с регулируемым параметром (ПРП)

3.3. Анализ результатов экспериментальных исследований

3.4. Выводы.

4. СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ И ПОВЕРКИ УЛЬТРА

ЗВУКОВЫХ КОНТАКТНЫХ ТОЛЩИНОМЕРОВ

4.1. Общий подход к разработке физических моделей ОК

4.2. Разработка и варианты реализаций ФМОК.

4.3. Методики поверки ультразвуковых контактных толщиномеров

4.4. Масштабы внедрения методов и средств поверки УЗТ

4.5. Выводы.

В основу настоящей работы положены результаты исследований в области метрологического обеспечения ультразвуковой толщинометрии, проведенные во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических измерений «Дальстандарт» (ВНИИФТИ «Дальстандарт»), именуемом до 1980 года Хабаровским филиалом ВНИИФТРИ, а позже до мая 1998 года - НПО «Дальстандарт».

Здесь впервые в нашей стране в 1972 году были поставлены научно-исследовательские работы по нормированию метрологических параметров ультразвуковых толщиномеров (далее УЗТ), созданию методов и средств испытаний и поверки УЗТ.

Автор настоящей работы приняла в их выполнении непосредственное участие, являясь с 1972 по 1978 годы ответственным исполнителем всех работ института в этом направлении.

Первые результаты работ были доложены и одобрены на первом Всероссийском совещании по метрологическому обеспечению неразру-шающего контроля в 1973 году в г. Хабаровске, материалы докладов которого были опубликованы в виде тезисов [27].

Основные характеристики комплекта образцовых мер толщины КМТ 176 достаточно подробно были опубликованы в 1974 - 1975 г.г. в работах [28] и [29].

В связи с расширением диапазона измерений толщиномеров комплекты лишь дополнялись соответствующими мерами (образцами) толщины, менялась комплектация наборов, их упаковка. То-есть, в последующие модификации КМТ 176 (KMT 176М, KMT 176М-1, KMT 176М-2, КУСОТ-180, КУСОТ-285) по сегодняшний день принципиальных изменений не внесено.

Работы по созданию, совершенствованию, внедрению методов и средств поверки УЗТ ежегодно включались в тематический план ВНИИФ6

ТИ «Дальстандарт», неоднократно в план государственной стандартизации, межотраслевые программы метрологического обеспечения по контролю и диагностике продукции машиностроения, Программу оснащения территориальных органов Госстандарта. Комплект мер толщины КМТ 176 демонстрировался на международных выставках (Лейпциг, а также в странах Тихоокеанского бассейна и Африки) и ВДНХ.

В период отработки методов и средств испытаний и поверки УЗТ в 1972 - 1975 г.г. автором собран большой статистический материал, который, наряду с обновленными исследованиями, лег в основу формулирования выводов по настоящей работе.

ВВЕДЕНИЕ

Ультразвуковой контроль толщины материалов, изделий, конструкций широко используется в ведущих отраслях народного хозяйства, когда двухсторонний доступ к требуемым точкам поверхности объектов контроля (далее ОК) затруднен или невозможен (например, трубы, сосуды, корпуса судов и др.).

Основная проблема, с которой сталкиваются специалисты-практики неразрушающего контроля на объектах энергетики, нефтегазовых, нефтеперерабатывающих и других комплексах состоит в том, что УЗТ не всегда работоспособны на реальных объектах. Проблема работоспособности УЗТ на реальных объектах весьма актуальна, однако в публикациях ей уделено недостаточное внимание.

Под работоспособностью УЗТ автор подразумевает состояние УЗТ, при котором имеется возможность получения устойчивых показаний исправного толщиномера при осуществлении процедуры контроля с целью измерения толщины ОК с заданной погрешностью.

Это определение работоспособности УЗТ не противоречит общему определению по ГОСТ 27.002-89 [1]: «Работоспособность - состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации».

Адаптация понятия «работоспособность» применительно к специфике ультразвуковой толщинометрии позволяет далее провести экспериментальную проверку состояния работоспособности УЗТ на ОК и физических моделях ОК (далее ФМОК).

На реальных объектах неработоспособность УЗТ может проявляться следующим образом:

1) толщиномер вообще ничего не показывает; 8

2) толщиномер показывает неустойчиво (например, показания «плывут», осциллируют, постоянно меняются в диапазоне, превышающем погрешность измерений и др.);

3) толщиномер показывает устойчиво, но погрешность измерений превышает заданную в технической документации.

С понятием «работоспособность» УЗТ тесно связано другое понятие - «достоверность ультразвукового контроля толщины». Так как при ультразвуковом контроле толщины проводятся измерения толщины косвенным методом, то в термин «достоверность ультразвукового контроля толщины» автором настоящей работы вкладывается тот же понятный смысл, что и в термин «достоверность измерений». В ГОСТе 16263-70 [2] этого термина нет. Но в [3] автором указывается, что достоверность измерения характеризует степень доверия к результату измерения. Степень доверия к результату измерений определяется погрешностью измерений. Это понятийное содержание термина «достоверность контроля толщины» принято и в настоящей работе.

С учетом изложенного целью настоящей работы является повышение достоверности ультразвукового контроля толщины. Для формулирования задач, необходимых для достижения этой цели, рассмотрим современное состояние метрологического обеспечения УЗТ.

4.5. Выводы

Методы и средства поверки, разработанные с участием автора настоящей работы, широко внедрены в практику метрологической службы страны и используются более 25 лет.

Это позволило наладить в стране государственные испытания и поверку УЗТ, а значит обеспечить достоверность ультразвукового контроля толщины.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для достижения цели работы и решения поставленных задач проведены теоретические и экспериментальные исследования, позволившие получить следующие результаты:

1. Разработана полуэмпирическая модель акустического тракта при измерении толщины объекта контроля с криволинейными и непараллельными поверхностями, которая позволяет проводить приближенную оценку погрешностей измерений от указанных влияющих факторов, оценивать границы работоспособности ультразвуковых толщиномеров на этих объектах. Разработанная теоретическая модель представляет собой набор математических соотношений для расчета параметров акустического тракта УЗТ и оценок на этой основе оптимальности параметров, а также погрешностей измерений. Расчеты реализуются программно на персональном компьютере в пакете Maple V. Экспериментальная проверка этой модели дала удовлетворительные результаты. Предложенная модель может быть использована при разработке и эксплуатации ультразвуковых толщиномеров, для оценки погрешностей ультразвуковых толщиномеров на объектах контроля с параметрами, выходящими за пределы параметров, разработанных физических моделей объекта контроля. Это сократит расходы на оценку достоверности ультразвукового контроля толщины.

2. Предложены физическая и теоретическая модели преобразователя с регулируемым параметром, позволяющим менять зону работоспособности УЗТ, оптимизировать параметры акустического тракта для измеряемой толщины. Экспериментальная проверка этих моделей дала удовлетворительные результаты.

На способ и устройство преобразователя с регулируемым параметром подана заявка на предполагаемое изобретение.

3. Разработаны физические модели объекта контроля в виде комплектов мер толщины КМТ 176 и их модификаций (KMT 176М,

61

KMT 176M-1, KMT 176M-2, КУСОТ-180), которые были утверждены в качестве образцовых средств измерений для целей испытаний и поверки УЗТ и используются в практике метрологической службы страны более 25 лет.

4. Разработана первая в стране методика поверки ультразвуковых контактных толщиномеров МИ 40-75 [29], которая была утверждена, зарегистрирована и опубликована Издательством стандартов в 1975 году для использования в практике поверки УЗТ в качестве нормативного документа.

Основные аспекты этой методики заложены в основу ГОСТ 8.495-83 [26], разработанного взамен МИ 40-75 и внедренного с 1985 года, а также проекта межгосударственного (для стран СНГ) стандарта «Толщиномеры ультразвуковые. Методы и средства поверки» (взамен ГОСТ 8.495-83), представленного в Госстандарт на утверждение в 1999 году.

5. Разработанные средства и методы поверки позволили наладить в стране государственные испытания и поверку ультразвуковых толщиномеров и, следовательно, повысить достоверность ультразвукового контроля толщины.

1. ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения.

2. ГОСТ 16263-70 Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Термины и определения.

3. Тюрин Н.И. Введение в метрологию, Москва, Издательство стандартов 1973., 279 с.

4. Ермолов И.Н., Алешин Н.П., Потапов А.И. Акустические методы контроля, Москва, Высшая школа, 1991,288 с.

5. Ермолов И.Н. Контроль ультразвуком (краткий справочник), Москва, НПО ЦНИИТМАШ, 1992, 86 с.

6. Клюев В .В., Соснин Ф.Р., Филинов В.Н. и др., Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник, Москва, Машиностроение, 1995, 488 с.

7. Королев М.В., Эхо-импульсные толщиномеры, Москва, Машиностроение, 1980,111 с.

8. Королев М.В., Соснин Ф.Р. Ультразвуковые замеры толщин корпусов судов, Москва, РОНКТД, 1999,42 с.

9. Королев М.В. Безэталонные ультразвуковые толщиномеры.- Москва, Машиностроение, 1985,81 с.

10. Крамаренко Г.К., Мельканович А.Ф., Гринберг О .А. Влияние обработки поверхности изделий на ультразвуковой контроль прямым искателем в контактном варианте. Дефектоскопия, 1973, №3, с. 16-24.

11. Рахимов В.Ф. О влиянии шероховатости контактных поверхностей на прохождение ультразвуковых колебаний. Дефектоскопия, 1988, №11, с. 50-56.

12. Гмырин С .Я. Прохождение ультразвуковых волн через слой контактной жидкости с учетом шероховатости поверхности изделия. Дефектоскопия, 1993, №4, с. 12-18.

13. Гмырин С.Я. Влияние шероховатости контактной поверхности на показания ультразвуковых толщиномеров. Дефектоскопия, 1993, №10, с.29-43.

14. Гмырин С.Я. К вопросу о толщине стенок изделия и погрешности ее измерения в ультразвуковой толщинометрии в случае значительной коррозии поверхности ввода. Дефектоскопия, 1996, №11, с. 49-63.

15. Вайншток И.И., Лернер B.C. Влияние задержки в контактных слоях на точность измерения времени распространения ультразвука. Дефектоскопия, 1987, №11, с. 68-72.

16. Данилов В.Н., Ушаков В.М. О влиянии цилиндрической поверхности изделия при ультразвуковом контроле наклонным преобразователем. Дефектоскопия, 1998, №8, с. 13-19.

17. Кажис Р.И.Ю., Мажейка Л.Ю. и др. Теоретическое и экспериментальное исследование возбуждения импульсных акустических полей в объектах с криволинейной и шероховатой поверхностью. Дефектоскопия, 1989, №1, с. 73-81.

18. Саиткулов В.Г., Гребенник B.C. Исследование погрешности импульсных толщиномеров с совмещенным преобразователем при контроле клиновидных профилей. Дефектоскопия, 1975, №5, с. 71-81.

19. Саиткулов ВТ., Гребенник B.C. Контроль толщины стенок клиновидных профилей импульсными толщиномерами с трехэлементным преобразователем. Дефектоскопия, 1977, №4, с. 19-24.

20. Калинин В.А., ТарасенкоВ.Л., Цеслер Л.Б. Погрешности измерений ультразвуковыми толщиномерами, обусловленные варьированием скорости распространения ультразвука в конструкционных сталях и металлических сплавах. Дефектоскопия, 1988, №1, с. 18-25.

21. Ганзин М П. Поверка и калибровка ультразвуковых импульсных толщиномеров методом электронного моделирования мер толщины. Измерительная техника, 1975, №10, с. 30-32.

22. МИ 267-82. Методические указания. Установка УПТУ-1 для поверки ультразвуковых эхо-импульсных контактных толщиномеров. Методы и средства поверки.

23. Дьяконов В.П. Математическая система Maple VR3/R4/R5 Москва, Солон, 1988,400 с.

24. ГОСТ 8.207-76 Государственная система обеспечения единства измерений. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений.

25. Кочев В.М., Коневский JI.-M., Захаров Ю.А. Стандартные образцы для поверки ультразвуковых толщиномеров. Дефектоскопия, 1983, №7, с. 89-91.

26. ГОСТ 8.495-83. ГСИ. Толщиномеры ультразвуковые контактные. Методы и средства поверки.

27. Публикации автора по теме исследований

28. Юнникова В.В. Комплект мер для поверки ультразвуковых контактных толщиномеров в диапазоне толщин 0,5-50 мм. -, Москва, ВНИИ-КИ, 1974, ИЛ №96-74,2 с.

29. Томилов Б.В., Юнникова В.В. МИ 40-75 Методака поверки ультразвуковых контактных толщиномеров в диапазоне толщин 0,2-50 мм.-, Москва, Издательство стандартов, 1975,9 с.

30. Юнникова В.В. Романко A.A., К вопросу повышения достоверности ультразвуковой толщинометрии. Тезисы докладов 15 Российской на65учно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика», Москва, 1999, т.2, с.397.

31. Юнникова В.В. О достоверности ультразвукового контроля толщины. Контроль и диагностика, 1999, №9, с. 31-34.

32. Юнникова В.В., Романко А.А. Этапы совершенствования методик поверки ультразвуковых толщиномеров. Измерительная техника, 1999, №11, с. 69-70.

33. Дробот Ю.Б., Юнникова В.В. Модель акустического тракта при ультразвуковой толщинометрии. Контроль и диагностика, 1999, №12, с. 3-6.