автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Измерение параметров наклонных поверхностных трещин электропотенциальным методом

На правах рукописи

Черненко Павел Игоревич

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ НАКЛОННЫХ

ПОВЕРХНОСТНЫХ ТРЕЩИН ЭЛЕКТРОПОТЕНЦИАЛЬНЫМ МЕТОДОМ

Специальность 05.11.13. - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 ••:..::; ¡¿/з

005061977

Москва - 2013 г.

005061977

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики» (МГУПИ)

Научный руководитель

Шкатов Петр Николаевич

доктор технических наук, профессор,

директор НУЦ «КАСКАД» МГУПИ

Официальные оппоненты

Покровский Алексей Дмитриевич доктор технических наук, профессор кафедры «Электротехника и интроскопия» МЭИ (технический университет)

Ватковский Николай Николаевич кандидат технических наук, Президент ОАО «РОСЭК»

Ведущая организация: ЗАО «НИИИН МНПО "СПЕКТР"»

Защита состоится 25 июня 2013 года в 14— часов на заседании диссертационного совета Д212.119.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики» (МГУПИ) по адресу: 107996, г. Москва, ул. Стромынка, д. 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики».

Сведения о защите и автореферат диссертации размещены на официальных сайтах ВАК Министерства образования и науки РФ http://www.vak.ed.gov.ru и Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики» (МГУПИ) ЬНр://\\л\л\\п_:цир 1 .ги.

Автореферат разослан "20" мая 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.119.01 д.т.н., профессор

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность.

Надежность конструкций и оборудования, в значительной степени, определяется отсутствием дефектов типа трещин, выявляемых различными методами неразру-шающего контроля. Прочность конструкций и оборудования зависят от размеров трещин, прежде всего их глубины. Для измерения глубины уже выявленных трещин широко используется электропотенциальный метод контроля, обладающий простотой реализации погрешностью и оперативностью. Электропотенциальный метод обеспечивает приемлемую погрешность измерений глубины трещин, ортогональных к поверхности дефектного участка. Вместе с тем, регистрируемые электропотенциальным преобразователем (ЭПП) сигналы весьма существенно зависят от угла наклона плоскости трещины к поверхности. Это обстоятельство существующими электропотенциальными измерителями глубины трещин (ИГТ) не учитывается, что может привести к существенной погрешности. Трещины со значительным углом а отклонения их плоскости от нормали к поверхности характерны для таких объектов, как железнодорожные рельсы, валки, продукция прокатного производства за счет силового воздействия на металл в заданном направлении. Наклонные трещины возможны и в других объектах, не только за счет направленного силового воздействия, но и за счет анизотропии механических свойств и т.п. Современные ИГТ не обеспечивают достоверную оценку глубины наклонных трещин и не позволяют получить информацию об угле их наклона, что весьма важно для оценки степени опасности дефектов и выбора способа ремонта дефектного участка. В связи с этим измерение параметров наклонных трещин с приемлемой для практики погрешностью - весьма актуальная задача.

1.2. Состояние проблемы.

В настоящее время среди известных электропотенциальных ИГТ функция оценки угла наклона поверхностных трещин заложена только в приборах типа X-ЯТ705, выпускаемых фирмой Крауткремер (Германия). Для оценки угла наклона проводятся два дополнительных измерения при ЭПП размещенном параллельно трещине с разных относительно нее сторон. Однако такой способ оценки дает значительную погрешность и не нашел практического применения.

1.3. Цель работы и задачи исследования.

Цель данной работы - повышение достоверности и информативности измерения наклонных поверхностных трещин электропотенциальным методом. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

• разработать математическую модель, описывающую распределение электрического потенциала на поверхности металлической пластины с наклонной трещиной, обтекаемой электрическим током, вводимым через точечные электроды;

• провести анализ распределения электрического потенциала при различных вариантах установки токовых и потенциальных электродов относительно наклонной трещины и определить наиболее информативные варианты для определения угла наклона трещины;

• установить функциональные связи между информативными регистрируемыми сигналами, с одной стороны, углом наклона трещины и ее глубиной - с другой стороны;

• разработать и реализовать алгоритм измерения глубины и угла наклона поверхностных трещин.

1.4. Методы исследования:

Для теоретических исследований распределения электрического потенциала при пропускании тока через дефектный участок применялось математическое моделирование на основе метода конечных элементов. Экспериментальные исследования проводились с помощью сертифицированного электропотенциального измерителя глубины трещин «ЗОНД ИГТ-98».

1.5. Научная новизна работы заключается в следующем:

• на основе метода конечных элементов (МКЭ) разработана математическая модель, описывающая распределение электрического потенциала на поверхности металлической пластины с наклонной трещиной, обтекаемой электрическим током, вводимым через точечные электроды;

• получена оценка погрешности измерения глубины трещин при отклонении их плоскости от нормали к поверхности дефектного участка на произвольный угол а;

• показано, что глубину и угол наклона поверхностной трещины целесообразно определять с помощью ЭПП с электродами, размещенными вдоль линии, перпендикулярной к следу трещины, и выполнять четыре измерения: первое измерение - на бездефектном участке, второе - при симметричном размещении потенциальных электродов относительно трещины, третье - при установке обоих потенциальных электродов с одной стороны относительно следа трещины и четвертое - при их установке с другой стороны относительно следа трещины;

• установлена и наглядно представлена в виде градуировочной плоскости функциональная связь между регистрируемыми сигналами, с одной стороны, и измеряемыми углом наклона трещины и ее глубиной, с другой стороны;

1.6. Практическая ценность работы заключается в том, что:

• разработан способ измерения глубины и угла наклона поверхностных трещин электропотенциальным методом;

• разработан и реализован на основе электропотенциального измерителя глубины трещин «ЗОНД ИГТ-98» алгоритм измерения глубины и угла наклона поверхностных трещин.

1.7. Реализация и внедрение результатов работы:

Разработана методика для измерения глубины и угла наклона поверхностных трещин электропотенциальным измерителем глубины трещин «ЗОНД ИГТ-98».

1.8. Апробация работы.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на XIX Всероссийской конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике, Самара, 2011 г., на XXI Международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации»,- Алушта-2012 г , XV Международной конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики», г. Лорнака, 2012 г., 2-ой Международной научной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении», г. Москва, 2012 г., на конференции МГУПИ «Актуальные проблемы приборостроения, информатики и социально-экономических наук», Москва, 2013 г.

1.9. Публикации.

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 3 без соавторов, 2 в журналах из перечня ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соис-

кание ученой степени доктора и кандидата наук. Список работ приведен в автореферате. 1.10.Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 105 страницах, иллюстрируется 56 рисунками и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 155 наименований. 1.11.Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

Глубину и угол наклона поверхностной трещины целесообразно определять с помощью ЭПП с электродами, размещенными вдоль линии, перпендикулярной к следу трещины, и выполнить четыре измерения: первое измерение - на бездефектном участке, второе - при симметричном размещении потенциальных электродов относительно трещины, третье - при установке обоих потенциальных электродов с одной стороны относительно следа трещины и четвертое - при их установке с другой стороны относительно следа трещины.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель исследования и решаемые задачи, указаны наиболее важные научные результаты и приведены основные положения, представляемые к защите.

В первой главе рассмотрены практические задачи, связанные с необходимостью оценки параметров дефектов типа наклонных трещин, и основные методы неразру-шающего контроля, применяющиеся для измерения их параметров, проведен анализ существующего уровня и возможностей электропотенциальной дефектомстрии.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию основных закономерностей взаимодействия электропотенциальных преобразователей с дефектами типа наклонных трещин. Исследование проводилось методом конечных элементов (МКЭ) на основе сертифицированной программы ANSYS. Геометрическая расчет-

модель после дискретизации

Из рис. 2 видно, что дискретность сетки возрастает в зоне установки токовых электродов, что связано с высокими значениями градиентов плотности тока в области электрического контакта. Принималось, что контактная поверхность имеет вид полусферы. На рис. 3 показаны, рассчитанные в соответствии с разработанной моделью, линии тока, обтекающего нормальную (а) к поверхности и наклонную (б) трещины в плоскости XI.

а) б)

Рисунок 3 - Линии тока, обтекающего трещину: а - ортогональную к поверхности; 6 - наклонную

Распределение тока при изменении угла наклона а существенно изменяется. Это приводит к асимметричному относительно трещины изменению потенциала на поверхности дефектного участка и, соответственно, изменению регистрируемого на нем напряжения иг. Следовательно, возникает погрешность измерения глубины трещины, связанная с возможной вариацией угла а. На рис. 4 приведены результаты исследования влияния угла а. На рис. 4-а приведены зависимости нормированного вносимого трещиной напряжения и*=иг/и0-\ от глубины А для разных значений а, где и„ - напряжение, измеренное на бездефектном участке, а на рис. 4-б - зависимости погрешности измерения И от угла а. Из приведенных графиков видно, что влияние а на погрешность измерения достаточно велико и неоднозначно. Это определяет необходимость соответствующей коррекции измерения глубины трещины 1г. Применительно к наклонным трещинам важно знать глубину с! пораженного слоя.

Градукроаочные характеристики для разных

углов наклона трещины

Погрешность измерения глубины при разных углах а"

у

/

И, мм

а) о)

Рисунок 4 - Влияния угла а: а - на градуировочные характеристики {/*=(7*(А); б - на относительную погрешность измерения А.

Из рис. 5 следует, что при изменении а результаты измерения с1 без коррекции будут существенно завышенными. Для получения информации, необходимой для проведения соответствующей коррекции, были проведены исследования распределения электрического потенциала на поверхности дефектного участка при различных вариантах размещения электродов ЭПП относительно трещины.

6

о 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Рисунок 5 - Влияния угла а на результаты измерения глубины с1 пораженного слоя металла

Очевидно, что при отклонении плоскости трещины от нормали возникнет асимметрия в распределении Уа. относительно плоскости уг. Следовательно информация об угле а может быть получена путем сравнения разности потенциалов, измеренных при двух асимметричных положениях электродов ЭПГ1 относительно трещины. Для определения наиболее информативных параметров, однозначно связанных с измеряемыми величинами были проведены расчеты распределения Уа* при различных вариантах установки токовых электродов.

1Л.

V

а)-11т->а) б) - Я,. - 8

Рисунок 6 - Зависимости Ул. отх.=х/Н при у=0, й=10 мм, ¿=100 мм

На рис. 6 приведены зависимости относительного добавочного потенциала Ул* вдоль нормированной по глубине И трещины координате при IV->оо (а) и Г<Т.=Я/Ь=8 (б). Из рис. 6 -а следует, что со стороны тупого угла р между плоскостью трещины и поверхностью дефектного участка с увеличением а величина Уа, монотонно уменьшается при любых значениях х. < 0. При х > 0 (со стороны острого угла Р) зависимость Уа'(а) неоднозначна. При х* >1 с увеличением а величина Уа* монотонно растет. В тоже время при х. <1 с увеличением а от 0° до 60е Уа. растет, а при дальнейшем увеличении а от 60°до 80° Уд« уменьшается. Это связано с тем, что при а<60° ток "прижимается" к

внешней поверхности образца, но затем его приток уменьшается. Ход кривых на рис. 6-а и 6-6 идентичен, т.е. вариация Лт не приводит к качественным изменениям, позволяющим получить информативные признаки об измеряемых параметрах.

На рис. 7-8 приведено распределение вдоль х- при смещении токовых электродов относительно трещины. На рис. 7 смещение выполнено в сторону, противоположную проекции трещины на поверхность, а на рис. 8 - в сторону, проекции трещины на поверхность.

Анализ полученных распределений показывает монотонную зависимость Кд» как от угла а, так и от координаты х>. На основе выполненного анализа была установлена целесообразность выбора в качестве информативных параметров разности потенциалов, измеренных при асимметрично установленных токовых электродах.

а™5 <1=20 {>=40

1 1.5

Рисунок 7 - Распределение вдоль х» при смещении электродов в сторону, противоположную проекции трещины на поверхность: Ьт-=4, АКТ.=1,8

ц=0' «=20* «=¿0* а=60* а=80*

.л х.

-0,1 -0.4

0 0.5 ■;■ а=Ш*

4.....а=-0-

4......о=20'

1 а=0"

Рисунок 8 - Распределение Уд. вдоль при смещении электродов в сторону, проекции трещины на поверхность: 11т«=4, ДЯт-=1,8

/ >;

I

Рисунок 9 - Измерение U,i и (/г2 при установке ЭПП параллельно трещине

Третья глава посвящена разработке способа дефектометрической оценки параметров наклонных трещин. Для вычисления глубины и угла наклона трещины необходимо, как минимум, выполнить три измерения: U0, Ur\ и Ul2. Измерение U0 проводится на бездефектном участке, а измерение Uri и 1]л - при асимметричной установке ЭПП с разных сторон трещины. Степень асимметрии при измерении UT1 и Ur2 должна быть одинаковой.

В принципе, возможны два способа асимметричной установки ЭПП:

1) Электроды ЭПП при измерении U,\ устанавливаются по линии параллельной трещине и смещенной относительно нее на расстояние Ах, а при измерении Ur2 - на расстояние -Ах (рис. 9).

2) Электроды ЭПП устанавливаются по линии, перпендикулярной к трещине и проходящей через ее центр. Центр ЭПП смещается относительно центра трещины при измерениях Ult и Ua на расстояния Ах и -Ах, соответственно, (рис. 10).

Первый путь рекомендуется фирмой Kraut Kremer (ФРГ) для оценки угла наклона поверхностных трещин при использовании электропотенциального измерителя глубины трещин XRT-705, второй - разработан в настоящей работе. Для объективного сравнения были исследованы оба способа получения информации.

На рис. 11 приведена градуировочная плоскость в координатах нормированных добавочных напряжений lfT, = UJUa и lf r2= UJU0. Она была рассчитана МКЭ для ЭПП 20x2, входящего в комплект прибора «ЗОНД ИГТ-98». Смещение электродов Ах относительно трещины составляло 2 мм. При выборе меньшего смещения, как показали выполненные эксперименты, достаточно сложно обеспечить повторяемость измерений из-за неизбежной неточности установки.

Rr

Rr -ч—>■

а) б)

Рисунок 10 - Измерение £/г1 и иа при установке ЭПП перпендикулярно трещине: а-измерение Г7г|; 6-измерение ит2

Анализ полученных зависимостей показывает, что данный способ позволяет достаточно точно определить угол а наклона трещин глубиной И > 2 мм. Вместе с тем, определить угол а для трещин глубиной менее 2 мм данным способом, как видно из графиков, вряд ли возможно. Это связано с тем, что при И < 2 мм плоскость трещины под электродами не проходит. В тоже время при выборе смещения Ах < 2 мм, как показали выполненные эксперименты, достаточно сложно обеспечить по-

вторяемость измерений из-за неизбежной неточности установки. Кроме того, на практике след трещин может достаточно существенно отклоняться от прямой линии. Это приводит к дополнительной неоднозначности установки ЭПП, особенно при малых Ах. Отметим еще, что с увеличением угла наклона а существенно ухудшается чувствительность к трещинам глубиной более 6 мм.

и*и "

Рисунок 11 - Градуировочная плоскость в координатах Ц"г1 - Ц"а при установке электродов по линиям, параллельным трещине со смещением Ах.

Рисунок 12 - Градуировочная плоскость в координатах А и*сдв - и" при установке электродов по линиям, параллельным трещине со смещением Ах.

Для исследования возможности повышения информативности измерений было дополнительно введено измерение 1/*=иг/и0-\ при симметричном расположении электродов ЭПП относительно трещины на линии, проходящей перпендикулярно к ее следу. При этом, в качестве информативных параметров принимались величины и*=иг/и0-\ и &и*сдв=(и,\-ил)1и0. На рис. 12 приведена градуировочная плоскость в координатах и* и Аи*сде. При ее использовании значительно повышается чувствительность к глубине к трещин более 4 мм, однако измерение угла а>60° становится невозможным. Также не представляется возможным определить параметры трещин глубиной И < 3 мм.

Аналогичные расчеты проводились для предложенного способа с асимметричной установкой ЭПП 20x2 по линии, нормальной к следу трещины.

На рис. 13 приведена градуировочная плоскость в координатах Л[1*сг)е, и" при установке электродов по линии, перпендикулярной следу трещины.

Величина смещения Ах =2 мм была выбрана, исходя из требований к повторяемости результатов измерения. При меньших Лх отличие фактической величины смещения от номинальной становится ощутимым.

Из приведенных на рис. 13 графиков следует, предложенный способ измерения более информативен и позволяет достоверно оценивать параметры наклонных трещин глубиной от 1 мм. Еще одно достоинство предложенного способа состоит в большей разрешающей способности за счет возможности перемещения электродов вдоль трещины. Это особенно важно для трещин с извилистым следом на поверхности.

Наглядно алгоритм определения значений И и а, согласно предложенному способу, представлен на рис. 14.

Рисунок 13 - Градуировочная плоскость в координатах Д £/*«,„- V" при установке электродов по линии, перпендикулярной трещине: Ят=20 мм, Яр=2 мм, А.х=2 мм

Рисунок 14 - Алгоритм измерения глубины трещины и угла ее наклона

Четвертая глава посвящена практической реализации измерения параметров наклонных трещин электропотенциальным методом и метрологическому обеспечению электропотенциальных средств оценки параметров трещин, с плоскостью не ортогональной поверхности контролируемого объекта. Практическая реализация разработанного способа выполнялась на электропотенциальном измерителе глубины трещин «ЗОНД ИГТ-98». Этот прибор может работать как автономно, так и в комплексе с персональным компьютером (ПК). В данном случае ПК используется для считывания с прибора регистрируемых им значений Ы0, £/„ Ц-ь ил и их интерпретации. «Зонд ИГТ-98» использовался в режиме «ОДИНОЧНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ», задаваемом с клавиатуры прибора. В приборе имеются режимы «ИЗМЕРЕНИЕ НА БЕЗДЕФЕКТНОМ УЧАСТКЕ» и «ИЗМЕРЕНИЕ НА ДЕФЕКТНОМ УЧАСТКЕ» с числом измерений от 1 до 5 входящие в общий цикл. В данном случае использовалось два цикла: в первом цикле, проводились измерения С/0 и иг, при этом прибор проводил интерпретацию результатов и выдавал результат измерения глубины х трещины в предположении, что трещина ортогональна поверхности. Параллельно с этим результаты измерения и0 и (7Г поступали в память ПК. Во втором цикле проводились измерения ип и 1}л, передаваемые в память ПК. Затем, по совокупности результатов измерения, путем двухпараметровой сплайн-аппроксимации вычислялись глубина /г трещины и угол а ее отклонения от нормали. Вычисления проводились в среде МаЮАЭ. Коэффициенты аппроксимации вычислялись на основе результатов численных расчетов, частично отраженных на рис. 13.

Для оценки достоверности результатов измерений и проверки работоспособности прибора были изготовлены контрольные образцы с трещинами глубиной 2 мм, 4 мм и 5 мм и углом а=0°, 30° и 60°. Эскиз одного из контрольных образцов показан на рис. 15.

Результаты измеренных и фактических значений Ь и а приведены на рис. 16, где по оси абсцисс отложена глубина трещины, а по оси ординат - угол а. Сравнение измеренных и фактических значений показывает, что относительная погрешность измерения не превышает 10% по глубине и по углу а.

л

Рисунок 15 - Эскиз контрольного образца с наклонными трещинами

................-'V 1Ш

а) б)

Рисунок 16 - Сравнение измеренных и фактических значений глубины Ь и угла а искусственных дефектов в образце

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

• На основе МКЭ разработана математическая модель, описывающая распределение электрического потенциала на поверхности металлической пластины с наклонной трещиной, при вводе тока через точечные электроды.

• Показано, что погрешность измерения глубины трещин электропотенциальным методом без учета влияния отклонении их плоскости от нормали к поверхности дефектного участка весьма существенна, например, при на угле а=60°и глубине Ь=8 мм, относительная погрешность измерения Ь составляет 60%.

• Глубину и угол наклона поверхностной трещины целесообразно измерять с помощью ЭПП с электродами, размещенными вдоль линии, перпендикулярной к следу трещины и выполнять четыре измерения: первое измерение - на бездефектном участке, второе - при симметричном размещении потенциальных электродов относительно трещины, третье - при установке обоих потенциальных электродов с

одной стороны относительно следа трещины и четвертое - при их установке с другой стороны относительно следа трещины;

• В наглядном виде градуировочной плоскости установлена функциональная связь между регистрируемыми сигналами, с одной стороны, и измеряемыми углом наклона трещины и ее глубиной, с другой стороны.

• Разработан и реализован на базе измерителя глубины трещин «ЗОНД ИГТ-98» способ измерения глубины и угла наклона трещин.

• Экспериментально показано, что погрешность измерения глубины и угла наклона трещин на установке, реализующей предложенный способ, не превышает 10%.

4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ.

Публикации в журналах из перечня ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук:

1. Шкатов П.Н., Черненко П.И. Теоретическое исследование выходных характеристик электропотенциального преобразователя при его взаимодействии с наклонными трещинами конечной длины // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии - № 6 (293). - 2012 - С. 48-52.

2. Черненко П.И. Разработка алгоритма измерения глубины и угла наклона поверхностных трещин электропотенциальным методом//Научно-технический вестник Поволжья.-№2.-2013.-С. 250-253.

Публикации в других научных журналах и изданиях

3. Шкатов П.Н., Черненко П.И. Измерение глубины и угла наклона поверхностных трещин электропотенциальным методом//Вестник МГУПИ.- 2013 - №44 -С 7277

4. Шкатов Г1.Н., Черненко П.И. Измерение параметров наклонных поверхностных трещин электропотенциальным методом// Научные труды 2-ой Международной научной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении».- 2012- С. 507-511.

5. Черненко П.И. Исследование погрешности измерения глубины поверхностной трещины электропотенциальным методом под влиянием наклона ее плоскости к поверхности//Труды XXI Международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации»,-Алушта.-2012 г.-С. 169- 170.

6. Шкатов П.Н., Елисов A.A., Черненко П.И. Развитие электропотенциального метода дефектометрии // Сборник трудов XV Межд. конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики»: труды - М • МГУПИ.-2012, С. 44-51.

7. Шкатов П.П., Черненко П.И. Измерение глубины наклонных поверхностных трещин элсктропотенциальным методом//Труды XIX Всероссийской конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике.- г. Самара.-б - 8 сентября 2011 г.-доклад 5 по секции №15.

8. Черненко П.И. Выбор информативных параметров для измерения глубины и угла наклона поверхностных трещин электропотенциальным методом//Труды НТК «Актуальные проблемы приборостроения, информатики и социально-экономических наук».- М.: МГУПИ,- 23-24 апреля 2013 г.- С. 156-162.

14

московский государственный университет

приборостроения и информатики

На правах рукописи

Черненко Павел Игоревич

04201360608

измерение параметров наклонных поверхностных трещин электропотенциальным

методом

Специальность 05.11.13. - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Шкатов П.Н.

Москва - 2013 г.

оглавление

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................4

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ

ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ДЕФЕКТОВ........................................................8

1.1 Практические задачи, связанные с необходимостью оценки параметров дефектов типа наклонных трещин................................................................8

1.2 особенности Дефектоскопии и оценки параметров поверхностных трещин различными методами неразрушающего контроля,...................11

1.3 Анализ современного уровня электропотенциальной дефектометрии ..20

1.4 Выводы...........................................................................................................37

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

ЭЛЕКТРОПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С

ДЕФЕКТАМИ ТИПА НАКЛОННЫХ ТРЕЩИН.....................................38

2.1 выбор метода расчета и расчетных моделей.............................................38

2.2 исследование погрешности измерений электропотенциальным методом глубины поверхностной трещины под влиянием ее наклона.................46

2.3 исследование распределения электрического поля тока, обтекающего наклонную трещину.....................................................................................52

2.4 Выводы...........................................................................................................66

3. РАЗРАБОТКЕ СПОСОБА ДЕФЕКТОМЕТРИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ

ПАРАМЕТРОВ НАКЛОННЫХ ТРЕЩИН................................................68

3.1 ВЫБОР ИНФОРМАТИВНЫХ ПРИЗНАКОВ ДЛЯ ОЦЕН КИ ПАРАМЕТРОВ НАКЛОННЫХ ТРЕЩИН................................................68

3.2 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ОЦЕНКИ ГЛУБИНЫ И УГЛА НАКЛОНА ТРЕЩИНЫ...............................................................................74

3.3 Выводы...........................................................................................................75

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

НАКЛОННЫХ ТРЕЩИН ЭЛЕКТРОПОТЕНЦИАЛЬНЫМ

МЕТОДОМ........................................................................................................77

4.1 РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ наклонных трещин НА БАЗЕ электропотенциальнОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ ГЛУБИНЫ ТРЕЩИН «зонд игг-98»..........................................................77

4.2 РАЗРАБОТКА МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА И ГЛУБИНЫ ПОВЕРХНОСТНЫХ ТРЕЩИН........................................................................................................86

4.3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ УГЛА НАКЛОНА И ГЛУБИНЫ ПОВЕРХНОСТНЫХ ТРЕЩИН..................................................................87

4.4 Выводы...........................................................................................................88

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................89

6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................90

введение

Актуальность

Надежность конструкций и оборудования, в значительной степени, определяется отсутствием дефектов типа трещин, выявляемых различными методами неразрушающего контроля. Прочность конструкций и оборудования зависят от размеров трещин, прежде всего их глубины. Для измерения глубины уже выявленных трещин широко используется электропотенциальный метод контроля, обладающий простотой реализации погрешностью и оперативностью. Электропотенциальный метод обеспечивает приемлемую погрешность измерений глубины трещин, ортогональных к поверхности дефектного участка. Вместе с тем, регистрируемые электропотенциальным преобразователем (ЭПП) сигналы весьма существенно зависят от угла наклона плоскости трещины к поверхности. Это обстоятельство существующими электропотенциальными измерителями глубины трещин (ИГТ) не учитывается, что может привести к существенной погрешности. Трещины со значительным углом а отклонения их плоскости от нормали к поверхности характерны для таких объектов, как железнодорожные рельсы, валки, продукция прокатного производства за счет силового воздействия на металл в заданном направлении. Наклонные трещины возможны и в других объектах, не только за счет направленного силового воздействия, но и за счет анизотропии механических свойств и т.п. Современные ИГТ не обеспечивают достоверную оценку глубины наклонных трещин и не позволяют получить информацию об угле их наклона, что весьма важно для оценки степени опасности дефектов и выбора способа ремонта дефектного участка. В связи с этим измерение параметров наклонных трещин с приемлемой для практики погрешностью - весьма актуальная задача.

Состояние проблемы

В настоящее время среди известных электропотенциальных ИГТ функция оценки угла наклона поверхностных трещин заложена только в приборах типа Х-ЫТ705, выпускаемых фирмой Крауткремер (Германия). Для оценки угла наклона проводятся два дополнительных измерения при ЭПП размещенном па-

раллельно трещине с разных относительно нее сторон. Однако такой способ оценки дает значительную погрешность и не нашел практического применения.

Цель работы и задачи исследований

Цель данной работы - повышение достоверности и информативности измерения наклонных поверхностных трещин электропотенциальным методом.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

• разработать математическую модель, описывающую распределение электрического потенциала на поверхности металлической пластины с наклонной трещиной, обтекаемой электрическим током, вводимым через точечные электроды;

• провести анализ распределения электрического потенциала при различных вариантах установки токовых и потенциальных электродов относительно наклонной трещины и определить наиболее информативные варианты для определения угла наклона трещины;

• установить функциональные связи между информативными регистрируемыми сигналами, с одной стороны, углом наклона трещины и ее глубиной - с другой стороны;

• разработать и реализовать алгоритм измерения глубины и угла наклона поверхностных трещин.

Методы исследования

Для теоретических исследований распределения электрического потенциала при пропускании тока через дефектный участок применялось математическое моделирование на основе метода конечных элементов. Экспериментальные исследования проводились с помощью сертифицированного электропотенциального измерителя глубины трещин «ЗОНД ИГТ-98».

Научная новизна работы

• На основе метода конечных элементов разработана математическая модель, описывающая распределение электрического потенциала на поверхности металлической пластины с наклонной трещиной, обтекаемой электрическим током, вводимым через точечные электроды;

• получена оценка погрешности измерения глубины трещин при отклонении их плоскости от нормали к поверхности дефектного участка на произвольный угол а;

• показано, что для определения глубины и угла наклона поверхностной трещины целесообразно с помощью ЭПП с электродами, размещенными вдоль линии, перпендикулярной к следу трещины, выполнить четыре измерения на дефектном участке: первое измерение - бездефектном участке, второе -при симметричном размещении потенциальных электродов относительно трещины, третье - при установке обоих потенциальных электродов с одной стороны относительно трещины и четвертое - при их установке с другой стороны относительно следа трещины;

• установлена и представлена в виде градуировочной плоскости функциональная связь между регистрируемыми сигналами, с одной стороны, углом наклона трещины и ее глубиной - с другой стороны;

Практическая ценность работы

• Разработан способ измерения глубины и угла наклона поверхностных трещин электропотенциальным методом;

• разработан и реализован на основе электропотенциального измерителя глубины трещин «ЗОНД ИГТ-98» алгоритм измерения глубины и угла наклона поверхностных трещин.

Реализация и внедрение результатов работы

• Разработана методика для измерения глубины и угла наклона поверхностных трещин электропотенциальным измерителем глубины трещин «ЗОНД ИГТ-98»

Апробация работы

Основные результаты работы доложены и обсуждены на XIX Всероссийской конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике, Самара, 2011 г., на XXI Международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации».- Алушта.-2012 г , XV Международной конференция «Фундаменталь-

ные и прикладные проблемы приборостроения и информатики», г. Лорнака, 2012 г., 2-ой Международной научной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении», г. Москва, 2012 г., на конференции МГУПИ «Актуальные проблемы приборостроения, информатики и социально-экономических наук», Москва, 2013 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 2 - без соавторов, 2 - в журналах из перечня ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук. Список работ приведен в автореферате.

Структура и объём диссертации

Диссертационная работа изложена на 106 страницах машинописного текста, иллюстрируется 76 рисунками и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 132 наименований.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

• Для определения глубины и угла наклона поверхностной трещины целесообразно с помощью ЭПП с электродами, размещенными вдоль линии, перпендикулярной к следу трещины, выполнить четыре измерения на дефектном участке: первое измерение - бездефектном участке, второе - при симметричном размещении потенциальных электродов относительно трещины, третье - при установке обоих потенциальных электродов с одной стороны относительно трещины и четвертое - при их установке с другой стороны относительно следа трещины.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ

ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ДЕФЕКТОВ

1.1 ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ, СВЯЗАННЫЕ С НЕОБХОДИМОСТЬЮ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ДЕФЕКТОВ ТИПА НАКЛОННЫХ ТРЕЩИН

Трещины относятся к наиболее опасному типу разрушения металла и могут возникать в пластинах, оболочках, массивных элементах, сварных швах, кусочно-однородных телах и т.п. различных элементов и конструкций. Применительно к условиям хрупкого разрушения разработку норм дефектности можно выполнить в рамках линейной механики разрушения (ЛМР). Различные аспекты ЛМР и ее приложений в механике материалов и конструкций отражены в монографиях [128-139].

В соответствии с ЛМР процедура определения условий роста трещины предусматривает расчет коэффициентов интенсивности напряжений вдоль контура (края) трещины при заданных нагрузках, нахождение из специальных экспериментов характеристик трещиностойкости материала (выражаемых в терминах критических значений этих коэффициентов или некоторой их функции) и, наконец, сравнение на основе критериев ЛМР расчетных и экспериментальных величин и установление допустимых критических параметров трещин. Практическая реализация процедура определения условий роста трещины во многом определяется тем, располагают ли специалисты необходимыми данными о геометрических параметрах трещины. В частности, для оценки степени опасности наклонных трещин необходима информация не только о глубине трещины или глубине пораженного слоя, но и величина угла наклона трещины. От угла наклона трещины зависит не только степень ее опасности, но и выбор возможных схемы ее "залечивания" на действующем оборудовании [140].

Значительный интерес оценка параметров наклонных трещин представляет для элементов конструкции воздушных судов гражданской авиации и их силовых установок. Они могут возникать в металлах из сплавов на основе А1,

Тл, Ре, N1 и Mg. Наклонные трещины образуются при асимметричном многоосном синфазном и несинфазном нагружении, а также комплексном температурном, разночастотном и агрессивном воздействии окружающей среды. Усталостные наклонные трещины развиваются в титановых дисках компрессоров двигателей, дисках турбин, лопатках из сплавов А1, Тл и в лопастях несущих и воздушных винтов, в сосудах под давлением, в зубчатых колесах и корпусах редукторов вертолетов, в стыковочных болтовых узлах, шлицевых соединениях, валах, силовых элементах конструкции планера, рычагах, а также в элементах конструкции стоек шасси самолета [127]. В данной работе отмечается, что для определения правильной стратегии ремонта кроме глубины трещины необходима информация о проекции наклонной трещины на наружную поверхность.

Рисунок 1.1- Трещины в рельсах, развившиеся из флокенов (а) и газовых пузырей (б)

Наклонные трещины - характерны для объектов испытывающих циклические асимметричные нагрузки. К типичным примерам относятся изделия полученные прокатом, сами прокатные валки и железнодорожные рельсы . Характерные дефекты рельсов, возникающие в процессе изготовления, те же, что и дефекты проката. Однако в результате интенсивной эксплуатации рельс происходит отслоение и выкрашивание металла на поверхности, по которой катятся колеса, если на этой поверхности или вблизи нее имеются закаты, газовые пузыри, волосовины, плены. Флокены, закатанные газовые пузыри, микротрещины в головке (верхней части) рельса развиваются в поперечные и наклонные трещины (рис. 1.1). В процессе изготовления из-за недостатков технологии на рельсах могут образовываться дефекты в виде закатов. Эти дефекты, не замеченные при приемке рельсов на заводе, приводят к образованию отслоений ме-

талла на поверхности катания после того, как по рельсам начинают ездить по-

езда.

Из-за образования наклонных трещин происходит выкрашивание наплавленного слоя на поверхности катания головки рельса. Под воздействием подвижного состава наплавленный слой выкрашивается или отслаивается, что связано с образованием наклонных трещин, берущих начало у основания наплавленного слоя. При недостаточной контактно-усталостной прочности металла головки рельса или наличия в стали местных скоплений неметаллических включений под воздействием подвижного состава возникает продольная наклонная трещина. Ее последующее развитие приводит к отслоению металла или к поперечной трещине.

V

ё «а

Ч Pi

а

V

о 0)

Machined Notch ~

а

К

0

Рисунок 1.2 — Параметры трещины, развивающейся в контрольном образце при механических испытаниях

Развитие под углом к нормали характерно для усталостных трещин развивающихся в процессе механических испытаний образцов [148]. На рис. 1.2 показан образец для механических испытаний с полученной в нем усталостной трещиной. Образующаяся в нем трещина на определенном участке отклоняется от нормали к направлению растягивающих образец сил и развивается в дальнейшем под углом 0.

1.2 ОСОБЕННОСТИ ДЕФЕКТОСКОПИИ И ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТНЫХ ТРЕЩИН РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ,

При решении задачи дефектоскопии требуется определить наличие или отсутствие дефектов, характерный параметр которых, например, глубина превышает допустимую величину. При выявлении дефектов важна производительность контроля, которая будет неизбежно снижаться при требовании одновременной дефектометрической оценки параметров выявленных дефектов.

При переходе к задаче дефектометрии требуется выполнить количественную оценку одного или нескольких характерных параметров выявленного дефекта. Здесь, как правило, вопросы производительности отступают на второй план и во главу угла ставится обеспечение приемлемой погрешности измерений. Для дефектов типа поверхностных трещин характерным параметром может быть либо их глубина (вихретоковый метод) либо их ширина (капиллярный и магнитопорошковый методы). Вместе с тем реальные трещины имеют неправильную форму, а их глубина к и ширина Ь изменяются от сечения к сечению. Общепринятый для всех методов неразрушающего контроля (НК) подход заключается в том, что за параметр р реальной трещины принимается параметр р0 трещины правильной формы, создающей такую же как и реальная трещина интегральную реакцию при регистрации соответствующим методом НК. Точность оценки будет тем выше, чем ближе трещина правильной формы отражает параметры реальной трещины.

Для настройки и проверки работоспособности средств дефектоскопии, а также калибровки дефектомеров пользуются контрольными образцами с искусственными дефектами сплошности.

Для проверки работоспособности средств капиллярной и магнитопорош-ковой дефектоскопии применяют контрольные образцы с искусственными дефектами близкими по ширине к реальным трещинам. Для этого искусственные

несплошности получают, вызывая процесс разрушения металла под воздействием механических напряжений, например, устало