автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Распространение крутильных волн в линейно-протяженных объектах с продольными дефектами

На правах рукописи

Кчси^

УДК 620.179.162

Мурашов Сергей Андреевич

РАСПРОСТРАНЕНИЕ КРУТИЛЬНЫХ ВОЛН В ЛИНЕЙНО-ПРОТЯЖЕННЫХ ОБЪЕКТАХ С ПРОДОЛЬНЫМИ ДЕФЕКТАМИ

Специальность:

05.11.13 — Приборы и методы контроля природной среды, веществ,

материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 СЕН 2011

Ижевск 2011

4852598

Работа выполнена на кафедре «Приборы и методы контроля качества» ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет» (ИжГТУ)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Муравьева Ольга Владимировна

доктор технических наук, профессор Вопилкин Алексей Харитонович (г. Москва)

кандидат технических наук, с.н.с. Бабкин Сергей Энгелевич (г. Ижевск)

Ведущая организация:

Институт физики металлов УрО РАН (г. Екатеринбург)

Защита состоится 20 сентября 2011 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 004.013.02 при Институте прикладной механики УрО РАН по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной механики УрО РАН.

Автореферат разослан «1£» августа 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 ¿(0,1) в области минимальной дисперсии скорости и моды 7X0,1) 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:

1. Комплексный анализ теории и практики использования акустических вол-новодных методик неразрушающего контроля.

2. Обоснование и разработка моделей взаимодействия крутильных волн с продольными дефектами линейно-протяженных объектов.

3. Исследование скорости распространения крутильных волн в прутках и трубах с продольными дефектами.

4. Исследование скорости распространения крутильных волн в зависимости от формы профиля сортового проката.

5. 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 аналитических расчетов и экспериментальных результатов, воспроизводимостью экспериментальных данных, использованием при экспериментальных исследованиях поверенных средств измерений, оценками погрешностей исследований.

Научная новизна

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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 ООО «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.

2. Выявленные закономерности изменения скорости распространения крутильных волн в прутках и трубах от параметров продольных дефектов и профиля проката.

3. Научно обоснованные информативные параметры контроля для выявления продольных дефектов в линейно-протяжённых объектах.

4. Разработанные методики оценки глубины протира, трещины, разностенно-сти, овальности труб и прутков по значению обобщенной скорости крутильной волны.

5. 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 качества» под руководством д.т.н„ профессора [Буденкова 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, раскрыта научная новизна и практическая значимость работы, приведены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор по видам линейно-протяженных объектов, областям их использования и типам дефектов, возникающих при производстве и в процессе эксплуатации; выполнен анализ существующих методов и средств не-

разрушающего контроля линейно-протяженных объектов (ультразвуковой, магнитный, вихретоковый, волноводный акустический).

Анализ публикаций, связанных с волноводным (wave guided) акустическим методом контроля (также называемым методом «дальнодействующего ультразвука», или «long range ultrasonic testing»), свидетельствует о возрастающем интересе ученых к этому сравнительно новому и динамично развивающемуся методу. География институтов и научных школ, работающих в данном направлении, обширна: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», МГТУ им. Баумана, ИжГТУ, ООО «Акустические Контрольные Системы», ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР», НИИНК АО «ИНТРО-СКОП» (Респ. Молдова), Институт электросварки им. Э.С. Патона (Украина), Национальный технический институт Украины «КПИ», Университет штата Пенсильвания (США), Университет Калифорнии (США), Бристольский университет (Великобритания), Технологический институт Джорджии (США), Университет Мэна (США), Болонский Университет (Италия), Пизанский университет (Италия), Национальный университет Пукъёнг (Респ. Корея), Университет Сонгюнгван (Респ. Корея), Наньянский технологический университет (Сингапур), а также компании Guided Ultrasonics, Ltd. (Великобритания, система WaveMaker), Metal-Care Inspection Services, Inc. (Канада, система Teletest), Dacon Inspection Services Co., Ltd. (Тайланд, система Long Range Guided Wave Ultrasonic Inspection System), Applus RTD (Нидерланды, система LoRUS), ООО «АКС» (г. Москва, дефектоскоп АКР 1224), ООО «НПИЦ «Качество» (г. Ижевск, дефектоскопы АДНКТ, АДНШ, АДП). Волноводный акустический контроль в настоящее время находит применение преимущественно в дефектоскопии труб и мониторинге состояния трубопроводов в нефтяной и газовой отраслях промышленности.

В научной школе Буденкова Г.А. (г. Ижевск, ИжГТУ) разработана технология акустического контроля линейно-протяженных объектов, основанная на использовании для контроля стержневых волн ¿(0,1) в области минимальной дисперсии скорости и моды 7(0,1) крутильных волн, исследованы закономерности отражения стержневых волн от дефектов, разработаны акустические дефектоскопы насосных штанг (АДНШ), прутков (АДП), насосно-компрессорных труб (АДНКТ).

В подавляющем большинстве работ в качестве информативного параметра волноводного акустического контроля выступает коэффициент отражения. Данный параметр позволяет выявлять большинство типов дефектов, характеризующихся изменением площади поперечного сечения (механического импеданса) в месте дефекта. При этом продольные дефекты, не сопровождающиеся резким перепадом по сечению и дефекты типа отклонения от заданного профиля находятся, как правило, вне чувствительности данного параметра В ряде работ в качестве информативного параметра контроля используется коэффициент затухания, точность измерения которого сравнительно невысока (погрешность 10-20 %).

В результате анализа литературных источников выявлена необходимость в исследовании особенностей распространения крутильных волн в линейно-протяжённых объектах с продольными дефектами и поиске новых информативных параметров для выявления продольных дефектов и отклонений профиля.

На основании анализа объекта и предмета исследований сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе рассматриваются особенности распространения нормальных волн (продольных Ь, изгибных Р, крутильных Т) в линейно-протяженных объектах, обладающих свойствами акустических волноводов (условие с1> Л/2, где А — длина волны, с1 — диаметр объекта); обосновывается целесообразность использования крутильных волн при контроле линейно-протяженных объектов; предлагается конечно-элементная модель и алгоритм для расчета скорости крутильной волны моды 71(0,1); обосновываются оптимальные параметры конечно-элементной модели.

Крутильная волна — это нормальная волна, распространяющаяся вдоль оси х линейно-протяженного объекта и имеющая только одну угловую компоненту смещения С/9. Движение в крутильной волне симметрично относительно оси х и представляет собой вращение поперечного сечения объекта относительно этой оси (рисунок 1). Фазовая скорость крутильных волн С*33 в стержнях находится путем решения дисперсионного уравнения, описывающего зависимость скорости распространения крутильной волны от частоты колебаний/ радиуса стержня а и упругих свойств среды:

(р-а)-Ш-а)-2-)1{р-а) = 0, (1)

где |3 = А2 ~ к2, кс = со/С,, к = со/С*аз, о = 2тт/, Сс — скорость поперечной

волны в неограниченной среде.

Дисперсионные кривые, рассчитанные для фазовой скорости крутильной волны в стальном стержне круглого сечения, показаны на рисунке 2. На низких частотах и при малых диаметрах в стержнях может распространяться только одна мода крутильной волны 71(0,1). От других мод нормальных волн в стержнях ее отличает отсутствие дисперсии (зависимости фазовой скорости от частоты и диаметра стержня). Скорость Сто моды 71(0,1) в случае круглого или кольцевого сече-

д: —>

Рисунок 1 — Крутильные волны в стержне

Сфор *>с 8000

7Т0,2П Г(0,3)\

ПО,^

2000

Сг

10 12 14 16 13

га, мгд •«

Рисунок 2—Дисперсионные кривые для фазовой скорости С*" крутильной волны в стальном стержне круглого сечения

Рисунок 3 — Эпюры смещений С/о по сечению а б прутка (о); по сечению трубы (б)

ния равна скорости поперечной волны С,:

Сго = Л/^7Р = СС< (2)

где ц — модуль сдвига, р — плотность среды.

Одной из характерных особенностей волнового движения в крутильных нормальных волнах является наличие только одной угловой компоненты смещения 1/в, распределение которой по сечению прутка и трубы представлено на рисунке 3.

На рисунке 4 показаны сравнительные зависимости коэффициентов затухания крутильных 71(0,1) и продольных ¿(0,1) нормальных волн в стержнях от частоты и диаметра стержня. В области низких частот (/У < 3) затухание крутильной волны существенно ниже затухания стержневой волны, что обеспечивает возможность реализации метода многократных отражений с использованием крутильных волн.

При прочих равных условиях крутильная волна обладает более высокой чувствительностью (в среднем в 3 раза по площади) к выявлению поверхностных и подповерхностных дефектов прутков по сравнению со стержневой волной. Отсутствие дисперсии и меньшая скорость крутильной волны позволяют уменьшить мертвую зону и улучшить разрешающую способность. Представляется обоснованным использование крутильных волн при контроле объектов, испытывающих в процессе эксплуатации действие крутящего момента (валы центробежных насосов, бурильные трубы, насосно-компрессорные трубы в нефтедобывающих скважинах с центробежными насосами и др.). Подобие механических воздействий при контроле и при эксплуатации объекта позволяет повысить чувствительность к

5, 1/м 009 01» оот ом оде ом ооз ога

0Д1

о

//

!/

я

у ^ Упп

(Л. МГц ым

Рисунок 4 — Зависимость коэффициента затухания мод 7(0,1) и ¿(0,1) от частоты и диаметра стержня круглого сечения

наиболее опасным, склонным к развитию дефектам и упрощает их идентификацию.

Уравнение движения стержня, совершающего крутильные колебания моды 71(0,1) существенно упрощается и записывается в виде:

= 0 (3)

дг2 СтдЬ2 '

где Ст— скорость моды 7X0,1) крутильной волны, ср — угол поворота сечения стержня вокруг оси инерции стержня.

Методика расчета скорости моды Г(0,1) крутильной волны при ее распространении в линейно-протяженном объекте с продольным дефектом заключается в следующем.

Известно, что скорость крутильной волны Ст в стержне произвольной формы поперечного сечения определяется крутильной жесткостью сечения Д моментом инерции / сечения стержня относительно его центра инерции и плотностью материала р:

Сг =

N

(4)

£> = ц/г (5)

где /г— момент инерции при кручении (или условный момент инерции), ц— модуль сдвига.

Для стержней с сечением в виде круга или кольца при отсутствии дефектов момент инерции сечения / и момент инерции при кручении 1Т равны и выражаются, соответственно, формулами (6) и (7):

/ = /г = пг4/2, (6)

/ = /г = л(г14-г24)/2, (7)

где г — радиус круга, г\\\г2 — внешний и внутренний радиусы кольца соответственно. При этом, согласно формуле (1), скорость крутильной волны максимальна и равна скорости поперечной волны в неограниченной среде С,.

Изменение профиля поперечного сечения протяженного объекта (в том числе, при появлении дефектов, нарушающих геометрию сечения) приводит к изменению крутильной жесткости £> и момента инерции /. В литературе имеются формулы для расчета крутильной жесткости П стержней с некоторыми некруглыми профилями сечения: эллипс, равносторонний треугольник, прямоугольник (для определенных соотношений сторон), тонкая прямоугольная полоса, сечение разрезанной вдоль образующей трубы и др.

В случаях линейно-протяженных объектов с более сложной геометрией и при наличии дефектов крутильная жесткость £> и момент инерции I сечения могут быть найдены численно с использованием программных средств инженерного

ж:

1 = 21

Рисунок 5 — Схема расчета угла поворота <р поперечного сечения линейно-протяженного объекта под действием крутящего момента М

моделирования, основанных на методе конечных элементов. Физической основой для построения конечно-элементной модели является задача кручения, схема которой приведена на рисунке 5. Если форма и размеры поперечного сечения модели объекта остаются постоянными по всей ее длине Ь и один торец модели жестко закреплен, то под действием момента М пары сил, приложенных к поверхности противоположного торца и закручивающих стержень вокруг его оси х, некоторое произвольное поперечное сечение объекта, расположенное на расстоянии / от закрепленного торца, повернется на угол ср.

Крутильную жесткость О в этом случае можно рассчитать по формуле:

О = М/т = М1/<р,

(8)

т = <р/1 = сог^, (9)

где т — относительный угол закручивания.

При заданных значениях параметров Ми/ неизвестная величина угла поворота сечения ср может быть получена путем расчета конечно-элементной модели (рисунок 6), в которой должны быть заданы: форма и размеры поперечного сечения линейно-протяженного объекта, тип, размеры и положение дефекта, упругие свойства материала (плотность р, коэффициент Пуассона V, модуль Юнга Е). Поперечное сечение, на котором измеряется угол ср, и торец, к которому прикладывается крутящий момент М, объекта разбиваются на квазитрехмерные элементы («оболочки») с тремя узлами. Объем линейно-протяженного объекта задается трехмерными конечными элементами в виде треугольных призм.

В работе предлагается следующий алгоритм вычисления скорости крутильной волны Ст в линейно-протяженном объекте с различными типами продольных дефектов, сопровождающихся изменением геометрии поперечного сечения:

1. Создание и расчет модели объекта с использованием метода конечных элементов. В результате вычислений находится численное значение угла поворота сечения <р относительно оси х и значение осевого момента инерции 1Х объекта относительно его центра масс.

2. Вычисление момента инерции сечения I:

Рисунок 6 — Конечно-элементная модель линейно-протяженого объекта

11

р V

3. Вычисление крутильной жесткости сечения D по формуле (8).

4. Вычисление момента инерции сечения при кручении 1Т (условный момент инерции) по формуле (5):

5. Вычисление скорости крутильной волны Ст по формуле (4).

Обоснованы оптимальные параметры конечно-элементной модели для достижения требуемой точности расчетов скорости крутильной волны (±0,1 м/с). Исследование влияния порядка полиномов аппроксимации Р на расчетное значение скорости крутильной волны Ст, объем требуемой памяти и суммарное время расчета центральным процессором (Core 2 Duo, тактовая частота 2,2 ГГц) персонального компьютера для модели трубы, разрезанной вдоль образующей, показало, что требуемая точность расчетов достигается при порядке полиномов аппроксимации Р = 9 (расхождение с теоретическим значением скорости 335,5 м/с, рассчитанным по аналитической формуле, не превышает 0,1 м/с). Увеличение количества ЛГкэ конечных элементов в сечении в 4 раза (с 256 до 1024) при Р = 9 приводит к пятикратному увеличению времени расчета (с 9 до 43 минут), но не приводит к дальнейшему повышению точности. Объем требуемой памяти при этом увеличивается в 4 раза. Таким образом, показана практическая нецелесообразность разбиения сечения на слишком большое количество конечных элементов. Например, при достаточной длине модели L для достижения точности ±0,1 м/с расчета скорости крутильной волны в тонкой прямоугольной полосе достаточно использовать 70-100 конечных элементов. В объектах со сложной формой сечения оптимальное количество конечных элементов больше. Топология сетки конечных элементов может быть нерегулярной, однако для получения точных результатов соотношение длин ребер каждого из элементов не должно превышать 2,5.

В третьей главе рассматривается разработанная модель процесса взаимодействия крутильных волн с продольными дефектами конечной длины в линейно-протяженных объектах и предлагается новый информативный параметр контроля — обобщенная скорость крутильной волны; рассматриваются закономерности взаимодействия крутильных волн с дефектами типа продольных трещин и проти-ров насосно-компрессорных труб и насосных штанг; предлагается новая методика

оценки глубины протира.

Предложенная в главе 2 модель позволяет рассчитывать скорость крутильной волны Ст в линейно-протяженном объекте с неограниченным по длине дефектом, геометрические параметры которого остаются постоянными вдоль всего объекта. Большинство реальных продольных дефектов ограничены по длине. В связи с этим возникает необходимость рассмотрения основных механизмов взаимодействия крутильных волн с дефектами, оказывающих влияние на информативные параметры контроля — коэффициент отражения R и скорость распространения крутильной волны Ст-

При изучении процессов отражения нулевой крутильной волны от дефектов в линейно-протяженных объектах могут быть использованы известные решения гидродинамики, полученные при изучении распространения акустических волн в трубах и волноводах. При рассмотрении процессов распространения волн в волноводах пользуются понятием механического импеданса 2, зависящего как от параметров волновода (площади сечения 5), так и от свойств среды (скорости звука С, плотности р):

г = Р сб. (П)

Коэффициент отражения Л от границы дефектного и бездефектного участка волновода может быть определен следующим соотношением:

я = (12)

¿42 "I

где 1\ и 2г — механический импеданс объекта контроля, соответственно, на бездефектном и дефектном участке.

Полагаем, что плотность материала объекта на бездефектном и дефектном участке постоянна (р! = рг). В отличие от стержневой волны ¿(0,1), где С\ = С2, в случае крутильной волны 71(0,1) скорость зависит от формы сечения, поэтому изменение скорости на дефектном участке будет вносить дополнительный вклад в величину коэффициента отражения Д:

д _ $2 С2 ~ (13)

Для дефектов, ограниченных по длине с двух сторон, справедливо соотношение, учитывающее частоту возбуждаемых волн со и длину дефекта ¿деф:

- • эт(ш1деф/С)_

Я°гр = , ■ (14)

\4ZlZl + (г* - г*)2 • зт2(ш^еф/С)

При измерении скорости крутильной волны в линейно-протяженном объекте с дефектом ограниченной длины вводится понятие обобщенной скорости крутильной волны, определяемой соотношением:

г. = ---^--. (15)

Су Су

где Сгдеф — скорость крутильной волны на участке с дефектом. При проведении экспериментальных исследований использована экспериментальная установка, блок-схема которой представлена на рисунке 7. Аналого-цифровой преобразователь Кис18Ье1 ЛА-н150-14РС1, используемый в установке, имеет разрядность 14 бит и частоту дискретизации 10 МГц. Погрешность измерения скорости является косвенной и зависит от погрешностей измерения времени и длины объекта контроля. Для насосно-компрессорных труб (НКТ), имеющих дли-

Рисунок 7 — Блок-схема экспериментальной установки: ЭАП — блок электромагнито-акустических

преобразователей (совмещённый) крутильных волн; ГПУ — блок генератора и предварительного усилителя; УКП — блок программируемого усилителя, коммутации и питания; АЦП — плата аналого-цифрового преобразования; ПК — персональный компьютер

ну 8-11 м, погрешность измерения скорости крутильной волны составляет ±0,9 м/с. Использование метода многократных отражений позволяет уменьшить погрешность измерения скорости, которая при регистрации двух донных отражений не превышает ±0,4 м/с, трех донных отражений — ±0,3 м/с. Специализированное программное обеспечение позволяет наблюдать регистрируемый сигнал, измерять его основные параметры.

В работе исследованы основные закономерности взаимодействия крутильной волны с продольными дефектами труб (в частности, насосно-компрессорных) и прутков (на примере насосных штанг). Одним из наиболее опасных и склонных к развитию дефектов в таких объектах являются продольные трещины, возникающие как на стадии их изготовления, так и в процессе эксплуатации. Исследование процесса взаимодействия крутильных волн с продольными трещинами труб выполнено для НКТ диаметром ¿/=73 мм, толщиной стенки / = 6 мм и длиной £ = 2 м. Материал трубы — сталь углеродистая (плотность р = 7800 кг/м3, модуль Юнга Е = 2,1-Ю11 Па, коэффициент Пуассона V = 0,277, скорость моды Г(0,1) крутильной волны в бездефектной трубе Сто = 3249,9 м/с). При расчете крутильной жесткости £) величина крутящего момента М принята равной 1 Нм. Модель трещины представляет собой искусственный узкий пропил длиной ¿деф = 0,5 м, раскрытием % = 1 мм, нанесенный на внешнюю стенку НКТ от дальнего по отношению к датчику торца. Глубина дефекта А меняется от 0 (дефект отсутствует) до 6 мм (сквозная трещина).

На рисунке 8 представлена конечно-элементная модель сечения трубы с модельным дефектом в виде узкого пропила. Плоскость сечения разбита на 400-700 конечных элементов (в зависимости от глубины дефекта). Ввиду того, что вблизи трещины концентрация напряжений выше, чем в среднем по сечению, и ее раскрытие х мало по сравнению с диаметром трубы ¿1, возле дефекта сетка конечных элементов измельчена таким образом, чтобы вдоль контура трещины располага-

Рисунок 8 — Конечно-элементная модель сечения НКТ с пропилом прямоугольной формы

Объект контроля

ЭАП

УКП

Г

]<—»| ГПУ I

4 \ V

1 АЦП 1

V к

ПК

О 0,2 0,4 0,6 0,8 hit

-численная зависимость

X экспериментальные точки

Рисунок 9 — Численная и экспериментальная зависимости относительной скорости крутильной волны Ст/Сто от относительной глубины продольной трещины /¡Л

лось несколько элементов. Используются конечные элементы с тремя вершинами, максимальное соотношение длин сторон элементов в построенной сетке составляет 1,9.

На рисунке 9 показаны полученные численная и экспериментальная зависимости скорости крутильной волны от глубины трещины И, изменяющейся в диапазоне 0...6 мм (до сквозной трещины). Из графика видно, что в диапазоне глубин Л = 0...5,5 мм скорость крутильной волны меняется незначительно. При 1г= 1 мм изменение скорости составляет 3 м/с (0,1 %), при /г = 2 мм — 12 м/с (0,4 %), при И = 5,5 мм — 186 м/с (5,7 %). На графиках рисунка 10 показано, что значения коэффициента отражения Я и коэффициента затухания 5 увеличиваются с ростом глубины трещины А. Отличие численных значений коэффициента отражения Я от значений, полученных экспериментально, обусловлено частичной трансформацией крутильной моды 7"(0,1) в другие моды на границе дефектного и бездефектного участка трубы. Эффект трансформации известен и возникает при отражении крутильной волны от неосесимметричных дефектов. Этот же эффект приводит к существенному увеличению коэффициента затухания 5. Зарегистри-

5, км-1 10

0 0,2 0,4 0,6 0,8 h/t —численная зависимость X экспериментальные точки

6 4 2

.- X ' -

......Х" х"

X К'

/ ü

0,2 0,4 0,6

----Линиятренда

б

0,8 hit

Рисунок 10 — Численная и экспериментальная зависимости коэффициента отражения R (а) и коэффициента затухания 5 (б) от относительной глубины продольной трещины hit

а б в

Рисунок 11 — Осциллограммы многократных отражений крутильной волны в НКТ: без дефекта (а); с трещиной глубиной А = 2 мм (б); со сквозной трещиной (в)

рованные осциллограммы многократных отражений крутильной волны показаны на рисунке 11. В случае сквозной трещины (И = 6 мм) рассчитанное по аналитическим формулам и численно значение скорости составляет 335,5 м/с, однако на практике при частоте 25 кГц импульсы крутильной волны не регистрируются (рисунок 11,в). Отсутствие различимых донных отражений на осциллограмме при соблюдении методики контроля является основанием для браковки трубы.

Одной из причин выхода из строя насосных штанг (НШ) и НКТ является их механический износ. Протиры — один из наиболее распространенных и опасных типов механического износа НШ и НКТ, возникающих в процессе эксплуатации вследствие взаимного трения внутренней поверхности трубы и тела штанги, а также их трения о соединительные муфты. Протиры являются протяженными дефектами (ход насосной штанги внутри НКТ в процессе эксплуатации скважины может достигать 3 м). Наличие протиров НКТ и НШ ведет к более интенсивной коррозии, появлению сквозных дефектов НКТ и разгерметизации скважины, а также к усталостному разрушению и обрыву НШ в условиях циклических нагрузок.

Экспериментальные исследования и численные расчеты выполнены для НКТ диаметром d= 73 мм, длиной L = 1,475 м, толщиной стенки t = 5,5 мм и для НШ диаметром d = 22 мм. Материал объектов контроля — сталь углеродистая (здесь и в дальнейших расчетах используются такие же упругие характеристики углеродистой стали, как в случае НКТ с трещиной). Геометрическая модель дефекта представляет собой сегментный паз. Рассматривается диапазон глубин про-тира h = 0...5 мм. Результаты исследований, приведенные на рисунке 12, показывают уменьшение скорости крутильной волны Ст с ростом глубины протира А, при этом характер зависимости становится более крутым. При равной глубине протира в области значений h = 0...3 мм крутильная волна в НШ обладает более высокой чувствительностью к протирам; при больших значениях h преобладает чувствительность крутильной волны к протирам в НКТ. Наличие протира глубиной А = 1 мм приводит к уменьшению скорости Ст на 3 м/с в НКТ и на 10 м/с в НШ. Увеличение глубины протира h сопровождается также увеличением коэффициента затухания 5.

Согласно исследованным выше закономерностям, при наличии в объекте контроля протяженного дефекта (протира) длиной ¿деф суммарное время распространения крутильной волны уменьшается в сравнении с объектом той же длины без дефекта. При известной длине объекта L, можно ввести понятие обобщенной

16

0,85

5 А, мм

---Расчетная зависимость

для НКТ с протиром в виде кругового сектора

-Расчетная зависимость

для НКТ с протиром в виде сегментного паза

X Экспериментальные точки для НКТ

......... расчеТная зависимость

для НШ с протиром в виде сегментного паза

Рисунок 12-

- Зависимости относительной скорости крутильной волны С7/С70 от глубины продольного протира к в НШ и НКТ

скорости крутильной волны С/х, учитывающей в своем значении скорости крутильных волн в бездефектной области Ст и в области с протяженным дефектом

Сгдеф, численное значение которой можно рассчитать по формуле (15). На рисун-

— I 5 --------------------* 1 " „

ке 13 представлены рассчитанные зависимости обобщенной скорости крутильнои волны С-п. в НКТ (а) и НШ (б) от протяженности протира £деф при его фиксированной глубине И. Согласно рисунку 13,а, значение обобщенной скорости в НКТ существенно (на 8 м/с) уменьшается как при наличии глубоких протиров (й = 3 мм) при небольшой относительной протяженности дефекта ¿деф/I = 1/8, так и при наличии протиров малой глубины при существенной относительной протяженности. Представленные номограммы показывают принципиальную возможность оценки глубины протира к по значению обобщенной скорости крутильной волны Стх, если известна протяженность объекта £ и протяженность протира ¿деф. Последняя может быть оценена по положению эхо-импульсов от начала и конца протира на дефектограмме объекта, либо по предварительным данным о величине хода насосной штанги в скважине.

Таким образом, исследованные закономерности распространения крутильных волн в насосных штангах и насосно-компрессорных трубах с протяженными эксплуатационными дефектами позволили обосновать новый браковочный крите-

Стъ м/с 3250

Ь = 0 мм

3246

3242

л= 'о. 3,5 мм

г

Ств м/с 3250

Н= 0 мм

3245

3240

3235

"""К" ',5 мм

\\\ \<

^ V

0 0,25 0,5 0,75 11деф/£ 0 0,25 0,5 0,75 11деф/£ а б

Рисунок 13 — Номограммы для оценки глубины протира А в НКТ (а) и в НШ (б)

17

рий по скорости крутильной волны и разработать методику оценки глубины про-тира. Ввиду наличия мешающих факторов при измерении скорости крутильных волн (изменение температуры, отклонения по химическому составу в пределах группы прочности) разработанные методики и браковочные критерии реализуются только при наличии стандартных образцов предприятия.

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 «Белкамнефть» в с. Каракулино, Удмуртская Республика (акт о внедрении ООО «НПИЦ «Качество» в приложении).

В результате анализа результатов контроля 3000 насосно-компрессорных труб, бывших в эксплуатации, забраковано 820 труб, при этом получены статистические данные по доле каждого из информативных параметров при выявлении дефектов (с учетом случаев одновременного срабатывания нескольких параметров): процент брака по коэффициенту отражения на первом отражении Я\ составил 50 %, по коэффициенту отражения на N отражении Ям — 28 %, по коэффициенту затухания 5 — 16 %, по обобщенной скорости крутильной волны С^ — 6 %. Только по параметру обобщенной скорости крутильной волны забраковано 3,5 % труб.

В четвертой главе приведены результаты исследования особенностей распространения крутильных волн в линейно-протяженных объектах различного профиля; показана принципиальная возможность использования крутильных волн при контроле рассмотренных объектов на наличие производственных дефектов, связанных с отклонением геометрии сечения; выполнена предварительная оценка основных параметров контроля — рабочей частоты, величины мертвой зоны и разрешающей способности.

Распространенным дефектом при производстве труб является разностен-ность, то есть несовпадение осей симметрии внутренней и внешней поверхностей трубы. Величина разностенности А определяется как расстояние между центрами соответствующих окружностей в поперечном сечении. Дефект сопровождается утонением стенки трубы в одном направлении и утолщением в противоположном. Согласно ГОСТ 633-80, предельное отклонение толщины стенки насосно-компрессорной трубы (НКТ) составляет 12,5 % от номинального значения (0,7 мм для НКТ с толщиной стенки 5,5 мм).

Расчеты выполнены для НКТ со следующими параметрами: диаметр трубы I/=73 мм, номинальная толщина стенки / = 5,5 мм, величина разностенности А меняется от 0 до 5 мм, материал — сталь углеродистая. Результаты расчетов, представленные на графике рисунка 14, показывают теоретическую возможность эффективного выявления дефектов типа разностенности НКТ в соответствии с ГОСТ 633-80 при точности аппаратуры ±0,3 м/с. Так, если отклонение Л толщины стенки Г по всей длине трубы составляет 12,5% от номинального значения ¿ = 5,5м, то скорость крутильной волны Ст уменьшается на 0,19% (6 м/с) по сравнению со скоростью Сп в бездефектной трубе.

18

Рисунок 14 — Зависимость относительной скорости крутильной ВОЛНЫ Cr/Cjv от относительной величины разностенности hit насосно-компрессорной трубы

О 0,25 0,5 0,75 1 hit

При производстве пруткового проката круглого профиля возможно появление дефектов типа овальности. В ГОСТ 24642-81 овальность определяется как отклонение от круглости, при котором реальный профиль представляет собой овалообразную фигуру, наибольший dmax и наименьший dmin диаметры которой находятся во взаимоперпендикулярных направлениях. Величина овальности h рассчитывается из соотношения:

h = (dmax-dmin)/2. (16)

Согласно ГОСТ 2590-88, овальность круглого стального горячекатаного проката не должна превышать 50 % суммы предельных отклонений по диаметру (или 60% для инструментального легированного и быстрорежущего проката). Например, для стального горячекатаного прутка диаметром d= 16 мм сумма предельных отклонений при точности прокатки А не должна превышать 0,4 мм (овальность h не более 0,2 мм), при точности прокатки Б — 0,6 мм (А не более 0,3 мм), при точности прокатки В — 0,8 мм (h не более 0,4 мм).

В качестве геометрической модели сечения прутка с овальностью рассматривается эллипс с полуосями а (большая) и b (малая). Материал объекта при расчетах — сталь углеродистая (с такими же характеристиками, как и в случае рас-

1 0,8 0,6 0,4 0,2 Ыа + Численная —Аналитическая

Рисунок 15 — Численная и аналитическая зависимости относительной скорости крутильной волны С т/Ста от соотношения полуосей эллипса Ыа

смотренной выше НКТ). На рисунке 15 представлены теоретическая, рассчитанная с использованием аналитической формулы для крутильной жесткости эллипса, и численная, полученная методом конечных элементов, зависимости скорости крутильной волны Ст от соотношения полуосей эллипса Ыа. При увеличении эл-липсности Ыа наблюдается заметное снижение скорости крутильной волны Ст. Так, для прутка диаметром <¿=16 мм при величине разностенности А = 0,4 мм скорость крутильной волны Сг уменьшается на 4 м/с (0,12 % от скорости в прутке с круглым сечением Сто)-

Скорость крутильных волн зависит от профиля поперечного сечения сортового проката и минимальна для профилей с наибольшим отклонением от круглого (в равностороннем треугольнике скорость уменьшается на 22 %, в квадрате — на 8 %, в квадрате со скругленными углами — на 5 % при радиусе скругления 18 % от длины стороны, в правильном шестиугольнике — на 2 %).

В результате исследования особенностей распространения крутильных волн в прямоугольной полосе подтверждено существенное уменьшение скорости крутильной волны с увеличением соотношения длин сторон Ыа (а — длина большей стороны, Ъ — меньшей). Так, при Ыа= 1,4 скорость Ст уменьшается на 13 % от скорости в прокате круглого профиля, а при Ыа = 3 — на 44 %. Кроме того, чувствительность скорости крутильной волны к отклонениям по ширине прямоугольной полосы Ь для полос с соотношениями Ыа = 1,4...3 достаточна для удовлетворения требований ГОСТ 103-2006 и ГОСТ 4405-75 по предельным плюсовым и минусовым отклонениям по ширине Ъ прямоугольной полосы от номинальных значений при условии реализации аппаратных средств возбуждения импульсов крутильной волны в прямоугольной полосе (в том числе для полос с повышенной точностью прокатки).

Предложенный метод расчета может быть использован для получения численных значений скорости крутильных волн в представляющих практический интерес протяженных объектах более сложного профиля. Получено численное значение скорости крутильной волны в медном фасонном токоведущем проводе (ГОСТ 2584-86). При расчетах в качестве материала использована медь со следующими упругими характеристиками: плотность р = 8900 кг/м3, коэффициент Пуассона V = 0,35, модуль сдвига ц = 4,6-Ю10 Н/м2, модуль Юнга Е = 1,2-10" Н/м2, скорость поперечной волны С, = 2,26-103 м/с. При указанных параметрах скорость крутильной волны в медном токоведущем проводе Ст = 1988,7 м/с {Ст/Сто = 0,88).

Скорость крутильных волн Ст наряду с частотой ультразвуковых колебаний определяет основной параметр метода контроля — длину волны X в материале. Кроме того, скорость крутильных волн Ст накладывает ограничение на максимально допустимую рабочую частоту/тах, которая, в соответствии с требованием к линейно-протяженным объектам, должна удовлетворять условию < С^{2<1), где с? — диаметр окружности, описанной вокруг поперечного сечения объекта контроля. Ввиду существенной зависимости скорости крутильной волны от формы поперечного сечения, при разработке аппаратуры контроля протяженного проката различного профиля необходим предварительный анализ основных параметров для оценки возможностей метода. В таблице приведены результаты расче-

тов и экспериментальных исследований скорости крутильных волн в прокате различного профиля, а также основные параметры контроля.

Таблица

Параметры эхо-импульсного метода при контроле линейно-протяженных объектов различного профиля с использованием крутильных волн

Профиль объекта Скорость волны С, м/с Размер сечения d, мм Частота /кГц Длина волны А, мм

Расчет Эксперимент

Материал Численное значение Аналитическое значение Материал Значение

Продольная стержневая волна L(0,1)

Круг Сталь углеродистая — 5030 — — 20 25 201

Круг Медь" — 4700 — — 10 25 188

Крутильная волна Т(0,1)

Круг Сталь углеродистая 3250 3250 Сталь 15Х2ГМФ 3248 20 25 130

Шестиугольник 3179 3180 Сталь АСЫ 3187 20 25 127

Квадрат со скруглением (г = 0,18а) 3076 — — — 20 25 123

Квадрат 2987 2985 Сталь 20 3004 20 25 120

Треугольник равносторонний 2523 2517 — — 20 25 101

Эллипс (6/а= 1... 0,5) 3250...2605 3250... 2600 — — 20... 10 25 . 130... ...104

Прямоугольник {Ыа= 1...3) 2987... 1834 2985... 1826 — — 10 25 120... ...73

Круг Медь" 2260 2260 — — 10 25 90

Провод токоведущий 1989 — — — 13 25 80

* для материала сталь углеродистая: р = 7800 кг/м3, £ = 2,1-10" Па, V = 0,277, С, = 3250 м/с. ** для материала медь: р = 8900 кг/м , V = 0,35, Е = 1,2'Ю11 Па, С, = 2260 м/с. *** для материала сталь 20: р = 7859 кг/м3, £ = 2,13-10" Па.

Длина волны А, в материале определяет ряд других важных параметров контроля по ГОСТ 23667-85, в частности, мертвую зону, лучевую разрешающую способность, порог чувствительности, определяемый уровнем структурных помех, и другие. При оценке мертвой зоны 1т и лучевой разрешающей способности Д/ учтены особенности экспериментальной установки при совмещенной схеме контроля: количество периодов колебаний в зондирующем импульсе изи = 5, количество импульсов преобразователя ип = 2. В соответствии со значениями X из таблицы, при использовании продольной стержневой волны в прутках мертвая зона /ш = 500 мм, лучевая разрешающая способность А/ = 200 мм; при использовании крутильной волны в стальных прутках круглого профиля — /мз = 325 мм,

Д/=130мм, шестиугольного — /мз= 320 мм, Д/=130мм, квадратного — /мз = 300 мм, Д/ = 120 мм, треугольного — 1Ш = 250 мм, А/ = 100 мм, эллиптического при соотношении полуосей Ыа = 0,5 — /мз = 260 мм, А/= 105 мм, прямоугольного при соотношении сторон Ыа = 3 — /мз = 180 мм, Д/= 70 мм; в медном токоведущем проводе — /мз= 200 мм, Д/ = 80 мм. Результаты расчета, приведенные в таблице для линейно-протяженных объектов различного профиля, показывают, что мертвая зона контроля объектов с профилями, отличными от круглого, существенно улучшаются при использовании крутильных волн ДОЛ) в сравнении с продольными стержневыми волнами 1(0,1) за счет меньшей скорости волны.

В приложение вынесены таблицы с результатами расчетов, акты о внедрении.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Обоснована целесообразность использования при акустическом контроле линейно-протяжённых объектов крутильной моды колебаний 71(0,1), отличающейся от стержневой волны отсутствием дисперсии скорости, малым затуханием и более высокой чувствительностью к дефектам.

2. Разработана конечно-элементная модель, обоснованы её оптимальные параметры и предложен алгоритм расчета скорости (с точностью ±0,1 м/с) и коэффициента отражения крутильной волны от дефекта в зависимости от геометрии сечения, размеров и упругих свойств объекта, типа и геометрических параметров дефекта, рабочей частоты аппаратуры.

3. Теоретически и экспериментально подтверждено, что скорость крутильной волны в трубах и прутках с дефектами типа протира, продольной трещины, овальности и разностенности нелинейно уменьшается с увеличением размера дефекта.

4. Разработаны новые методики определения глубины протира, продольной трещины, разностенности и овальности в трубах и прутках, основанные на определении обобщенной скорости крутильной волны с погрешностью ±0,3 м/с и протяженности дефекта и реализуемые при наличии стандартных образцов предприятия. Дополнительными информативными параметрами являются коэффициент отражения и коэффициент затухания крутильной волны.

5. Оценена предельная чувствительность скорости крутильной волны 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.

6. Численным методом исследованы зависимости скорости распространения крутильных волн от профиля сечения линейно-протяженного объекта, показавшие ее уменьшение с отклонением сечения от круглого. Показана принципиальная возможность контроля проката на наличие дефектов, связанных с отклонением геометрии сечения, по скорости крутильной волны. Обоснованы основные параметры контроля линейно-протяжённых объектов различного профиля с использо-

.анием крутильных волн (мёртвая зона, разрешающая способность, рабочая час-гота).

7 Исследованные закономерности распространения крутильных волн с дефектами труб использованы для обоснования дополнительных информативных параметров контроля по скорости и затуханию крутильных волн, реализованных в методике акустического контроля насосно-комрессорных труб с помощью дефектоскопа АДНКТ, внедренных на ОАО «Белкамнефть».

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК

1 Буденков Г.А. Взаимодействие крутильных волн с продольными трещинами труб i Г.А. Буденков, О.В. Недзвецкая, Д.В. Злобин, С.А. Мурашов // Дефектоскопия. — 2006. — №6. — С. 57-66.

2 Мурашов, С.А. Основные параметры акустического контроля протяженных объектов различного профиля с использованием крутильных волн / С.А. Мурашов, О.В. Коробейникова И Вестник Ижевского государственного технического университета. — 2010. — №2 (46). — С. 84-88.

3 Муравьева, О.В. Использование крутильных волн при выявлении эксплуатационных дефектов насосных штанг и насосно-компрессорных труб / OB Муравьева, С.А.Мурашов // Вестник Ижевского государственного технического университета.—2011.— №2(50). —С. 149-154.

В других изданиях

4 Буденков ГА. Взаимодействие крутильных волн с продольными трещинами ' прутков и труб / Г.А. Буденков, О.В. Недзвещсая, Д.В. Злобин, С.А. Мурашов,

// Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства: Тр. Науч.-техн. конф. (Ижевск, 13-14 апреля 2004 г.). — Ижевск : Изд-во

ИжГТУ, 2005, —С. 353-358.

5 Буденков Г.А Распространение крутильных волн в насосно-компрессорных ' трубах с продольными трещинами / Г.А. Буденков, О.В. Недзвецкая, С.А. Мурашов Д В. Злобин // Новые материалы, нразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении: Материалы III Международной Научно-технической конференции. — Тюмень : Феликс, 2005. — 364 с. — С. 260-261

6 Budenkov, G. Propagation Peculiarities Research of Torsion Wave m Tubes with ' Longitudinal Cracks / G. Budenkov, O. Nedzvetskaya, D. Zlobin, S. Murashov //

Defektoskopie 2005: Proceedings (November 08-10, 2005, Znojmo, Czech Republic). — Brno University of Technology, 2005. — P. 49-56.

7 Буденков, Г.А. Взаимодействие крутильных волн с дефектами насосно-компрессорных труб, обусловленными протирами и разностенностью / ГА Буденков, О.В. Недзвецкая, С.А.Мурашов, A.A. Короткова // Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства: ТрЛ1а-уч.-техн. конф. (Ижевск, 14-15 апреля 2006 г.) — Ижевск : Изд-во ИжГТУ,

2006, —С. 84-89.

8. Буденков, Г.А. Оценка глубины протира насосно-компрессорных труб с использованием крутильных волн / Г.А. Буденков, О.В. Коробейникова, С.А. Мурашов // III Научно-техническая конференция «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций»: Тезисы конференции. — Екатеринбург : ИМА1П УрО РАН. Типография «Уральский центр академического обслуживания», 2007. — С. 166.

9. Мурашов, С.А. Информативные параметры крутильных волн при акустическом контроле линейно-протяженых объектов / С.А. Мурашов // Тезисы докладов XXV Уральской конференции «Физические методы неразрушающего контроля» (16-18 мая). — Екатеринбург: ИФМ УрО РАН, 2011. — С. 33.

10. Исследование процессов распространения акустических волн в протяженных объектах и их взаимодействия с дефектами // Отчет по НИР (регистрационный номер: НИР 1.9.05) / ГОУ ВПО ИжГТУ, рук. Г.А. Буденков. Ижевск, 2007.

11. Исследование информативных параметров электромагнито-акустического преобразования при неразрушающем контроле протяженных и массивных объектов металлоконструкций // Отчет по НИР (регистрационный номер: 2.1.2/12069) / ФГБОУ ВПО ИжГТУ, рук. В.В. Муравьев. Ижевск, 2011.

Подписано в печать 03.08.11. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Усл.печ.л 1,44. Тираж 100 экз. Отпечатано в ИжГТУ. 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7

Введение.

Глава 1 Линейно-протяженные объекты и методы их неразрушающего контроля.

1.1 Виды и области применения линейно-протяженных промышленных объектов.

1.2 Дефекты линейно-протяженных объектов.

1.2.1 Дефекты пруткового и трубного проката при производстве.

1.2.2 Дефекты линейно-протяженных объектов в процессе эксплуатации.

1.3 Методы и средства неразрушающего контроля линейно-протяженных объектов.

1.3.1 Магнитный вид.

1.3.2 Вихретоковый вид.

1.3.3 Ультразвуковой вид.

1.4 Волноводный акустический контроль линейно-протяженных объектов.

1.4.1 Методы и средства волноводного акустического контроля.

1.4.2 Результаты промышленного использования.

1.5 Формулировка задач исследования.

Глава 2 Основные параметры крутильных волн.

2.1 Нормальные волны в линейно-протяженных объектах.

2.2 Особенности распространения волн Похгаммера.

2.3 Особенности распространения крутильных волн.

2.4 Методика расчета скорости крутильной волны.

2.4.1 Аналитический метод.

2.4.2 Метод конечных элементов.

2.4.3 Конечно-элементная модель и алгоритм расчета скорости крутильной волны в линейно-протяженном объекте.

2.4.4 Обоснование параметров конечно-элементной модели и оценка точности получаемых результатов.

Выводы по главе 2.

Глава 3 Взаимодействие крутильных волн с дефектами линейнопротяженных объектов.

3.1 Моделирование процесса взаимодействия крутильных волн с дефектами.

3.2 Экспериментальная установка для исследований.

3.3 Погрешности при измерении скорости крутильной волны.

3.4 Взаимодействие крутильных волн с продольными трещинами насосно-компрессорных труб.

3.5 Взаимодействие крутильных волн с протирами насосно-компрессорных труб.

3.6 Результаты внедрения акустического дефектоскопа насосно-компрессорных труб.

Выводы по главе 3.

Глава 4 Влияние профиля линейно-протяженного объекта на распространение крутильной волны.

4.1 Труба с разностенностью по сечению.

4.2 Пруток с овальностью по сечению.

4.3 Полоса с нарушением геометрических пропорций в прямоугольном профиле.

4.4 Сортовой прокат различного профиля.

4.5 Профиль токоведущего провода.

4.6 Профиль рельса.

4.7 Параметры эхо-импульсного метода акустического контроля линейно-протяженных объектов различного профиля.

Выводы по главе 4.

Выводы

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. Вихрето-ковые 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 ЦОД) в области минимальной дисперсии ско-рости и моды Г(0,1) крутильной волны, дисперсия в которой отсутствует. В качестве информативного параметра при волноводном контроле линейно-протяженньтх 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:

1. Комплексный анализ теории и практики использования акустических волно-водных методик неразрушающего контроля.

2. Обоснование и разработка моделей взаимодействия крутильных волн с продольными дефектами линейно-протяженных объектов.

3. Исследование скорости распространения крутильных волн в прутках и трубах с продольными дефектами.

4. Исследование скорости распространения крутильных волн в зависимости от формы профиля сортового проката.

5. 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.

Методика 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 аналитических расчетов и экспериментальных результатов, воспроизводимостью экспериментальных данных, использованием при экспериментальных исследованиях поверенных средств измерений, оценками погрешностей исследований.

Научная новизна:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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 «Белкамнефть» в с. Каракулино, Удмуртская Республика (акт о внедрении ООО «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», «Неразрушающий 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 впротя-жённых объектах из различных материалов со сложной геометрией сечения (токове-дущие 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.

2. Выявленные закономерности изменения скорости распространения крутильных волн в прутках и трубах от параметров продольных дефектов и профиля проката.

3. Научно обоснованные информативные параметры контроля для выявления продольных дефектов в линейно-протяжённых объектах.

4. Разработанные методики оценки глубины протира, трещины, разностенности, овальности труб и прутков по значению обобщенной скорости крутильной волны.

5. Обоснованные основные параметры контроля линейно-протяжённых объектов различного профиля.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня: Международной конференции «Defektoskopie 2005» (г. Зноймо, Чехия, 2005 г.); Ш 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, 2011 г.); 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 качества» под руководством д.т.н., профессора Буденкова 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'.

Автор выражает благодарность д.т.н., профессору [Буденкову Гравию Алексеевичу! за научное руководство работой в период обучения автора в аспирантуре, за ценные идеи и решения, положенные в основу данной работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 157 наименований, и 5 приложений. Основная часть диссертации, изложенная на 148 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка и 16 таблиц.

выводы

1. Обоснована целесообразность использования при акустическом контроле линейно-протяжённых объектов крутильной моды колебаний Г(0,1), отличающейся от стержневой волны отсутствием дисперсии скорости, малым затуханием и более высокой чувствительностью к дефектам.

2. Разработана конечно-элементная модель, обоснованы её оптимальные параметры и предложен алгоритм расчета скорости (с точностью ±0,1 м/с) и коэффициента отражения крутильной волны от дефекта в зависимости от геометрии сечения, размеров и упругих свойств объекта, типа и геометрических параметров дефекта, рабочей частоты аппаратуры.

3. Теоретически и экспериментально подтверждено, что скорость крутильной волны в трубах и<прутках с дефектами типа протира, продольной трещины, овальности и разностенности нелинейно уменьшается-с увеличением размера дефекта.

4. Разработаны новые методики определения- глубины протира, продольной трещины, разностенности и овальности в трубах и прутках, основанные на определении обобщенной скорости крутильной волны с погрешностью ±0,3 м/с и протяженности дефекта и реализуемые при наличии стандартных образцов предприятия. Дополнительными информативными параметрами являются коэффициент отражения и коэффициент затухания крутильной волны.

5. Оценена предельная чувствительность скорости крутильной волны 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.

6. Численным методом исследованы зависимости скорости распространения крутильных волн от профиля сечения линейно-протяженного объекта, показавшие ее уменьшение с отклонением сечения от круглого. Показана принципиальная возможность контроля проката на наличие дефектов, связанных с отклонением геометрии сечения, по скорости крутильной волны. Обоснованы основные параметры контроля линейно-протяжённых объектов различного профиля с использованием крутильных волн (мёртвая зона, разрешающая способность, рабочая частота).

7. Исследованные закономерности распространения крутильных волн с дефектами труб использованы для обоснования дополнительных информативных параметров контроля по скорости и затуханию крутильных волн, реализованных в методике акустического контроля насосно-комрессорных труб с помощью дефектоскопа АДНКТ, внедренных на ОАО «Белкамнефть».

1. Баранов, В.М. Акустические измерения в ядерной энергетике. — М.: Энерго-атомиздат, 1990. — 320 с.

2. Белокуров, И.П. Дефектология и неразрушающий контроль: Учеб. пособие. — Киев: Вища шк, 1990: — 200 с.

3. Бернштейн, M.JI. Атлас дефектов стали. — Пер. с нем. под ред. M.JI. Бернштейна.

4. М.: Металлургия, 1979. — 188 с.

5. Бернштейн, M.JI. Металловедение и термическая обработка стали: Справочник. — 3-е изд. — T.I. Методы испытаний и исследования / Под ред. M.JI. Бернштейна, А.Г. Рахнггадта. — М.: Металлургия, 1983. — 352 с.

6. Буденков, Г.А. Акустика затрубного пространства добывающих и нагнетательных скважин / Г.А. Буденков, О.В. Недзвецкая, В.А. Стрижак. — Дефектоскопия.2003.—№8. —С. 3-9.

7. Буденков, Г.А. Акустическая дефектоскопия прутков с использованием многократных отражений / Г.А. Буденков, О.В. Недзвецкая, Б.А. Буденков, Т.Н. Лебедева, Д.В. Злобин. — Дефектоскопия. — 2004. — №8. — С. 50-55.

8. Буденков, Г.А. Взаимодействие крутильных волн с продольными трещинами труб / Г.А. Буденков, О.В. Недзвецкая, Д.В. Злобин, С.А. Мурашов // Дефектоскопия, 2006, №6. —С. 57-66.

9. Буденков, Г.А. Дисперсионные кривые моды аО в тонких пластинах / Г.А. Буденков, Е.Г. Булатова, О.В. Карбань. — Дефектоскопия. — 1991. — №11. — С. 35-38.

10. Буденков, Г.А. Комплексная технология дефектоскопии и упрочнения насосных штанг / Г.А. Буденков, О.И. Шаврин; H.A. Кокорин, О.В. Недзвецкая. — Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 2002. —№3. — С. 16-18.

11. Буденков, Г.А. О возможностях акустической дистанционной дефектоскопии протяженных объектов / Г.А. Буденков, О.В. Недзвецкая, М. Далати. — Дефектоскопия.—2003.—№ 11.—С. 30-33.

12. Буденков, Г.А. Основные закономерности' взаимодействия волн Похгаммера с дефектами / Г.А. Буденков, О.В. Недзвецкая. — Дефектоскопия, 2004, №2. — С. 33-46.

13. Буденков, Г.А. Стандартные образцы для акустической* дефектоскопии прутков малых диаметров из инструментальной стали / Г.А. Буденков, О.В. Недзвецкая, Т.Н. Лебедева. — Дефектоскопия. — 2003. — № 11. — С. 25-29.

14. Буденков, Г.А. Ультразвуковой контроль тонкостенных изделий / Г.А. Буденков, Е.Г. Булатова, О.В. Недзвецкая. — Дефектоскопия. — 1996. — №8. — С. 59-63.

15. Буденков, Г.А. Эффективность использования стержневых и крутильных волн для контроля пруткового проката./ Г.А. Буденков, О.В. Недзвецкая, Д.В. Злобин, Т.Н. Лебедева. // Дефектоскопия, 2004; №3. — С. 3-8.

16. Викторов, И.А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике / И.А. Викторов. — М.: Наука, 1966.

17. Голямина, И.П. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / Глав. ред. И.П. Голямина.

18. М.: «Советская энциклопедия», 1979. —400 с.

19. ГОСТ 103-2006. Прокат сортовой стальной горячекатаный полосовой. Сортамент. — М.: Стандартинформ, 2009.

20. ГОСТ 10884-94. Сталь арматурная термомеханически упрочненная для железобетонных конструкций. Технические условия. —М.: Изд-во стандартов, 1995.

21. ГОСТ 13877-96. Штанги насосные и муфты штанговые. Технические условия. — М.: Изд-во стандартов, 1999.

22. ГОСТ 17410-78. Контроль неразрушающий. Трубы металлические бесшовные цилиндрические. Методы ультразвуковой дефектоскопии. —М.: Изд-во стандартов, 1987.

23. ГОСТ 19200-80. Отливки из чугуна и стали. Термины и определения де-фектов.

24. М.: Изд-во стандартов, 2004.

25. ГОСТ 21014-88. Прокат черных металлов. Термины и определения дефектов поверхности. — М.: Изд-во стандартов, 1989.

26. ГОСТ 21120-75. Прутки и заготовки* круглого и прямоугольного сечения. Методы ультразвуковой дефектоскопии. — М.: Изд-во стандартов, 1989.

27. ГОСТ 23667-85. Контроль неразрушающий. Дефектоскопы ультразвуковые. Методы измерения основных параметров. — М.: Изд-во стандартов, 1985.

28. ГОСТ 24642-81. Основные нормы взаимозаменяемости. Допуски формы и расположения поверхностей. Основные термины и определения. — М.: Изд-во стандартов, 1990.

29. ГОСТ 2584-86. Провода контактные из меди и ее сплавов. Технические условия.

30. М.: ИПК Изд-во стандартов, 1998.

31. ГОСТ 2590-2006. Прокат сортовой стальной горячекатаный круглый. Сортамент.1. М.: Стандартинформ, 2008.

32. ГОСТ 2591-2006. Прокат сортовой стальной горячекатаный квадратный. Сортамент. — М.: Стандартинформ, 2009.

33. ГОСТ 26877-91. Металлопродукция. Методы измерения отклонений формы. — М.: Изд-во стандартов, 1991.

34. ГОСТ 2879-2006. Прокат сортовой стальной горячекатаный шестигранный. — М.: Стандартинформ, 2009.

35. ГОСТ 30136-95. Катанка из углеродистой стали обыкновенного качества. Технические условия. — М.: Изд-во стандартов, 1997.

36. ГОСТ 4405-75. Полосы горячекатаные и кованые из инструментальной стали. Сортамент. — М.: Изд-во стандартов, 1985.

37. ГОСТ 535-2005. Прокат сортовой и фасонный из стали углеродистой обыкновенного качества. Общие технические условия. — М.: Стандартинформ, 2007.

38. ГОСТ 5781-82. Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций. Технические условия. — М.: Изд-во стандартов, 1994.

39. ГОСТ 633-80. Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним. Технические условия. — М.: Изд-во стандартов, 1987.

40. ГОСТ 7417-75. Сталь калиброванная круглая. Сортамент. — М.: Изд-во стандартов, 1990.

41. ГОСТ 7502-98. Рулетки измерительные металлические. Технические условия. — М.: Стандартинформ, 2006.

42. ГОСТ 7909-56. Трубы бурильные геологоразведочные и муфты к ним. Технические условия. — М.: Изд-во стандартов, 1985.

43. ГОСТ 8239-89. Двутавры стальные горячекатаные. Сортамент. — М.: Изд-во стандартов, 1990.

44. ГОСТ 8240-97. Швеллеры стальные горячекатаные. Сортамент. — М.: Изд-во стандартов, 2001.

45. ГОСТ 8509-93. Уголки стальные горячекатаные равнополочные. Сортамент. — М:: Изд-во стандартов, 1996.

46. ГОСТ 8510-86. Уголки стальные горячекатаные неравнополочные. Сортамент.

47. М.: Изд-во стандартов, 1993.

48. ГОСТ 8559-75. Сталь калиброванная квадратная. Сортамент. — М.: Изд-во стандартов, 1993.

49. ГОСТ 8560-78. Прокат калиброванный шестигранный. Сортамент. — М.: Стандартинформ, 2005.

50. ГОСТ 859-2001. Медь. Марки. — М.: ИПК Изд-во стандартов, 2003.

51. ГОСТР 51045-97. Рельсы железнодорожные типов РП50, РП65 и РП75 для путей промышленного железнодорожного транспорта. Общие технические условия.

52. М.: ИПК Изд-во стандартов, 1997.

53. ГОСТР 51685-2000. Рельсы железнодорожные. Общие технические условия. — М.: Стандартинформ, 2006.

54. ГОСТ Р 52203-2004. Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним. Технические условия. — М.: Изд-во стандартов, 2004.

55. Гурбатов, С.Н. Акустика в задачах / А.Н. Бархатов и др.; Под ред. А.Н. Гурбатова и О.В. Руденко. — М.: Наука. Физматлит, 1996. — 336 с. — ISBN: 5-02-014742-7.

56. Ерофеев, В.И. Волны в стержнях. Дисперсия. Диссипация. Нелинейность / В.И. Ерофеев. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. — 208 с. — ISBN: 5-9221-0294-Х.

57. Зайдель, А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений. — Изд. 3-е, испр. и доп. — Л.: Наука, 1968. — 100 с.

58. Зшъберглейт, A.C. Спектральная теория регулярных волноводов / A.C. Зильберглейт, Ю.И. Копилевич. — Л.: ФТИ им. А.Ф. Йоффе, 1983. — 302 с.

59. Каневский, И.Н. Неразрушающие методы контроля: учеб. пособие / И.Н. Каневский, E.H. Сальникова. — Владивосток : Изд-во ДВГТУ, 2007. — 243 с.

60. Клюев, В.В. Измерения, контроль, испытания и диагностика / В.В. Клюев и др. // Машиностроение. Энциклопедия. — Т. III-7. — М.: Машиностроение, 1996. — 464 с. — ISBN 5-217-02845-9.

61. Клюев, В.В. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник /В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, A.B. Ковалев и др. — Под общ. ред. В.В. Клюева. — Изд. 2-е. — М.: Машиностроение, 2003. — 656 с. — ISBN: 5-217-03178-6.

62. Клюев, В.В. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. — Т. 3. — Ультразвуковой контроль / И.Н. Ермолов, Ю.В. Ланге. — Под общ. ред. В.В. Клюева. — М.: Машиностроение, 2004. — 864 с. — ISBN: 5-217-03224-3 (Т. 3), 5-217-031859.

63. Крауткремер, Й. Ультразвуковой контроль материалов: Справочник / Й. Крауткремер, Г. Крауткремер. — М.: Металлургия, 1991. — 752 с.

64. Ландау, Л.Д. Теория упругости. Том 7. Теоретическая физика / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. — М.: Наука, 1987. — 248 с.

65. Магнитный контроль электронный ресурс. // Сайт компании ООО «ИПК «Шер-на». — URL: http://www.ipk-sherna.ru/usIugi/teh-diagnostika-ustroystv/item/ 41-magnit-kontrol (дата обращения: 8.08.2011).

66. Металлопрокат черный, цветной. Метизы. Массовые характеристики. Технические требования. — 3-е изд., доп. — Харьков: Центр-Информ, 2003. — 208 с.

67. Монитор акустического дефектоскопа. Программа «МОНИТОР». Руководство по эксплуатации АД.4276.09.001.РЭ Электронный ресурс. // Комплект технической документации акустического дефектоскопа насосно-компрессорных труб. — 1CD-R. —2011.

68. Муравьев, В.В. К расчету параметров системы намагничивания электромагнитно-акустического преобразователя / В.В. Муравьев, В.А. Стрижак, E.H. Балобанов.

69. Интеллектуальные системы в производстве. — 2011. — №1 (17).

70. Новацкий, В. Теория упругости / В. Новацкий. — Пер. с польского. — М.: Мир, 1975. —872 с.

71. Описание программы Pro/MECHANICA Электронный ресурс. — Режим доступа: file://localhost/%AppFolder%/mech/html/usascii/promec/toclist.htm.

72. Писаренко, Г.С. Сопротивление материалов: Учебник для вузов / Под общ. ред. акад. АН УССР Г.С. Писаренко. — 4-е изд. — Киев : Вища школа. Головное изд-во, 1979. —696 с.

73. Розин, Л.А. Метод конечных элементов в применении к упругим системам / JI.A. Розин. — М.: Стройиздат, 1977. — 128 с.

74. Самокрутов, A.A. Ультразвуковой»контроль рельсов волноводным эхо-методом / A.A. Самокрутов, В.Г. Шевалдыкин. — Контроль. Диагностика. — 2005. — № 7.1. С. 16-19.

75. Сегерлннд, JI. Применение метода конечных элементов / JI. Сегерлинд. — Пер. с англ. под ред. д-ра физ.-мат. наук Б.Е. Победри — М.: Мир, 1979. — 392 с.

76. Сударикова, Е.В. Неразрушающий контроль в производстве: учебное пособие. — Ч. 1. — СПб : ГУАП, 2007. — 137 с. — ISBN 5-8088-0232-6.

77. Татаркина, М.В. Исследование дисперсионных кривых стержневых волн в прутках. Диссертация на соискание академической степени магистра. — 2008. — 130 с.

78. Тимошенко, С.П. Теория упругости / С.П. Тимошенко, Дж. Гудьер. — Пер. с англ.

79. М.: Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1975. —576 с.

80. Троицкий, В.А. О коллективном проекте стран Европы по мониторингу состояния объектов посредством дальнодействующего ультразвука (LRUCM) /

81. B.А. Троицкий, А.И. Бондаренко, Н.В. Троицкая, A.JI. Шекеро // Техническая диагностика и неразрушающий контроль, №1, 2007. — С. 17-23.

82. Хоролъский, Д.Ю: Справочник по металлопрокату. — Харьков: Металлика, 2003.514 с.

83. Чудаков, Е.А. Машиностроение. Энциклопедический справочник / Е.А. Чудаков и др.*.; под ред. Е.А. Чудакова. — Т. 1, кн. 2. — М.: Гос. науч.-техн. издгво машиностроительной литературы, 1947. — 464 с.

84. Alleyne, D. Rapid, Long-Range Inspection of Chemical Plant Pipework Using Guided Waves / D. Alleyne, B. Pavlacovic, M.Lowe, P. Cawley // Insight 43, 2001. — Pp. 93-96, 101.

85. Alleyne, D. The Reflection of Guided Waves from Circumferential Notches in Pipes /

86. D. Alleyne, M. Lowe, P. Cawley // J. Appl. Mech. 65, 1998. — P. 635-641.

87. An, Y. Integrated Impedance and Guided Wave Based Damage Detection Under Temperature Variation / Y. An, H. Sohn // Health Monitoring of Structural and Biological Systems. 6-10 March, 2011. — P. 122.

88. Baravelli, E. High-Resolution Damage Imaging in Flat and Bent Plate-Like Structures Through Warped-Basis Pursuit / E. Baravelli, L. De Marchi, M. Ruzzene, N. Speciale

89. Health Monitoring of Structural and Biological Systems. 6-10 March, 2011. — P. 184.

90. URL: file:///F:/ECNDT 2010 (CD1 Reports)/abstracts/l0337.pdf.

91. Brook, M. Ultrasonic Inspection-of Steam Generator Tubing by Cylindrical Guided Waves / M. Brook, T. Ngoc, J. Eder // Review of Progress in Quantitative NDE (edited by D. Thompson; D. Chimenti). — Plenum, New York, 1993. — P. 3769-3775.

92. Montreal, Canada. — Paper Code: 399. — URL: http://www.ndt.net/article/ wcndt2004/pdf/railroadinspection/399cawl.pdf (дата обращения: 29.04.2011).

93. Cawley, P. Practical Long Range Guided Wave Testing: Applications to Pipes and Rails / P. Cawley, M.J.S. Lowe, D.H. Alleyne, B. Pavlacovic, P. Wilcox // Materials Evaluation 61 (1), 2003. — P: 66-74.

94. Ciarlet, P.G. Handbook of Numerical Analysis / P.G. Ciarlet, J.L. Lions. — Vol. 2. — Finite Element Methods (Part 1). — 3-rd impression; — Elsevier, 2003. — ISBN: 0444-70365-9.

95. Croxford, A.J. Autofocus for Guided: Wave SHM in the Presence of Dispersion, / A.J. Croxford, A.J. Hunter // Health Monitoring of Structural and Biological Systems. 6-10 March, 2011. - P. 181.

96. Cui, L. Torsional- Guided Waves for Monitoring Cylindrical Structures Using:Piezoelectric Macro-Fiber Composite / L. Cui, Y. Liu, C.K. Soh.// Health Monitoring of Structural and Biological Systems. 6-10 March, 2011. — P. 179.

97. De Marchi, L: Guided'; Wave Filtering with Warped' Curvelets / L. De Marchi, E. Baravelli, M. Ruz/.ene, N. Speciale // Health Monitoring of Structural and Biological Systems. 6-10 March, 2011. — P. 193.

98. Demma, A . The Reflection of the Fundamental Torsional Mode from Cracks and Notches in Pipes / A. Demma, P. Cawley, M. Lowe, A.G. Roosenbrand // J. Acoust. Soc. Am: 114 (2), 2003. — P. 611-625. . . . 1 ;

99. Ditri, J. Generation of Guided Waves in Hollow Cylinders by Wedge and Comb Type Transducers / J. Ditri, J. Rose, A. Pilarski // Review of Progress in Quantitative;NDE (edited by D. Thompson, D. Chimenti). — Plenum, New York, 1993. — P. 211-218.

100. Ditri, J. Utilization of Guided Elastic Waves for the Characterization of Circumferential Cracks inTIollow Cylinders // J: Acoust. Soc. Am. 96, 1994. — P. 3769-3775.

101. Hayashi, Т. Guided Wave Simulation and Visualization by a Semianalytical Finite Element Method / T. Hayashi, J.L. Rose // Materials Evaluation 61 (1), 2003. — P. 7579.

102. Hua, J. Guided Wave Inspection Penetration Power in Viscoelastic Coated Pipes / Jia Hua, J.L. Rose // Insight 52 (4), 2010. — P. 195-205.

103. Jin, Y. Time Reversal Data Communications on Pipes Using Guided Elastic Waves. Part I: Basic Principles / Y. Jin, D. Zhao, Y. Ying // Health Monitoring of Structural and Biological Systems. 6-10 March, 2011. — P. 178.

104. Jin, Y. Time Reversal Data Communications on Pipes Using Guided Elastic Waves. Part II: Experimental Studies / Y. Jin, D. Zhao, Y. Ying // Health Monitoring of Structural and Biological Systems. 6-10 March, 2011. — P. 178.

105. Kim, D.J. Embedded Piezoelectric Sensor-Based Real-Time Strength Development Monitoring During Curing Process of Concrete / D:J. Kim, C. Lee, H. Chang, S. Park // Health Monitoring of Structural and Biological Systems. 6-10 March, 2011. — P. 130.

106. Kwun, H. The Magnetostrictive Sensor Technology for Long Range Guided Wave Testing and Monitoring of Structures / H. Kwun, S.Y. Kim, G.M. Light // Materials Evaluation 61 (1), 2003. — P. 80-84.

107. Lanza di Scalea, F. Ultrasonic NDE of railroad tracks: air-coupled cross-sectional inspection and long-range inspection / F. Lanza di Scalea, J. McNamara // Insight 43 (6), 2003. —P. 394-401.

108. Latest Developments for Ultrasonic Testing — Guided Waves. April 8th, 2008, IZFP Saarbrücken, Germany Электронный ресурс, слайды. — URL: http:// www.dgzfp.de/seminar/ultrasonic (дата обращения: 1.05.2011).

109. Lee, H. Pipeline Monitoring Using an Integrated MFC/FBG System / H. Lee, H. Sohn, H.W. Park // Health Monitoring of Structural and Biological Systems. 6-10 March, 2011. —P. 122.

110. Li, F. A Fiber Optic Doppler Sensor and Its Application in Debonding Detection for Composite Structures / F. Li, H. Murayama, K. Kageyama, G. Meng, I. Ohsawa, T. Shirai // Sensors 10 (6), 2010.

111. S. Liu, S. Defect Detection Using Time Reversal Imaging Technique / A.J. Croxford, A.J. Hunter // Health Monitoring of Structural and Biological Systems. 6-10 March, 2011. —P. 181.

112. Lowe, M. Characteristics of the Reflection of Lamb Waves from Defects in Plates and Pipes // Review of Progress in Quantitative NDE (edited by D. Thompson, D: Chimenti). — Plenum, New York, 1998. — P. 113.

113. Lowe, M. The Mode Conversion of a Guided Wave by a Part-circumferential'Notch in a Pipe / M. Lowe, D.' Alleyne, P. Cawley // J. Appl. Mech. 65, 1998. — P. 649-656.

114. Marzani, A. A Software for the Computation of Acoustic Waves in Cylindrical, Plate and Arbitrary Cross-Section Waveguides Электронный ресурс. / A. Marzani,

115. McNamara, J. Improvements in Noncontact Ultrasonic Testing of Rails by the Discrete Wavelet Transform / J. McNamara, F. Lanza di Scalea // Materials Evaluation 62 (3), 2004. — Pp. 365-372.

116. Michaels, J.E. Multi-Mode and Multi-Frequency Guided Wave Imaging Via Chirp Excitations / J.E. Michaels, S.J. Lee, J.S. Hall, Т.Е. Michaels // Health Monitoring of Structural and Biological Systems. 6-10 March, 2011. — P. 179.

117. Michaels, Т.Е. Chirp Generated Acoustic Wavefield Images / Т.Е. Michaels, J.E. Michaels, S,J. Lee, X. Chen // Health Monitoring of Structural and Biological Systems. 6-10 March, 2011. — P. 180.

118. Mohr, W. On Inspection of Thin-walled Tubes for Transverse and Longitudinal Flows by Guided Ultrasonic Waves / W. Mohr, P. Holler // IEEE Trans. Sonics Ultrason., 1978, —P. 369-378.

119. Nadella, K.S. Numerical Simulation of Guided-Wave Propagation in Composite Plates and Sandwich Structures / K.S. Nadella, C.E.S. Cesnik // Health Monitoring of Structural and Biological Systems. 6-10 March, 2011. — P. 192.

120. Palmer, S.B. Industrially Viable Non-Contact Ultrasound'/ S.B. Palmer, S. Dixon // Insight 45 (3), 2003. — P. 211-217.

121. Park, H. Development of a Non-Contact PZT Excitation and Sensing Technology Via Laser / H. Park, H. Sohn, C. Yun, J. Chung, M. Lee // Health Monitoring of Structural and Biological Systems. 6-10 March, 2011. — P. 110.

122. On, J. Guided Circumferential Waves and Their Applications in Characterizing Cracks in Annular Components / J. Qu, L.J. Jacobs // Materials Evaluation 61 (1), 2003. — P. 85-93.

123. Raichel, D.R. The Science and Applications of Acoustics / D.R. Raichel. — 2nd ed. — Springer, 2006. — 660 p. — ISBN-10: 0-387-26062-5; ISBN-13: 978-0387-26062-4; elSBN: 0-387-30089-9.

124. Rose, J.L. Ultrasonic Guided Waves: An Introduction to the Technical Focus Issue / J.L. Rose // Materials Evaluation 61 (1), 2003. — P. 65.

125. Royer, D. Elastic Waves in Solids I. Free and Guided Propagation / D. Royer, E. Dieulesaint. — Springer, 2000. — ISBN: 3-540-65932-3; ISSN: 1439-2674.

126. Santos, M.J. Practical Considerations on Ultrasonic Guided Wave Propagation: Immersion and Contact Methods / M.J. Santos, A.R. Ferreira, J.M. Perdigao // Materials Evaluation 62 (4), 2004. — P. 443-449.

127. Semoroz, A. Monitoring of Hidden Damage in Multi-Layered Aerospace Structures Using High-Frequency Guided Waves / A. Semoroz, B. Masserey, P. Fromme // Health Monitoring of Structural and Biological Systems. 6-10 March, 2011. —P. 176.

128. Shin, H. Guided Wave Tuning Principles for Defect Detection in Tubing / H. Shin, J. Rose // J. Nondestruct. Eval. 17, 1998: — P. 27-36.

129. Silk, M. The Propagation in Metal Tubing of Ultrasonic Wave Modes Equivalent to Lamb Waves / M. Silk, K. Bainton // Ultrasonics 17, 1979. — P. 11-19.

130. Song, IV.-J. An Ultrasonic Guided Wave Technique for Damage Testing in a Ship Hull / W.-J. Song, J.L. Rose, H. Whitesel // Materials Evaluation 61 (1), 2003. — P. 94-98.

131. Tanaka, Y Development of Contact-Type Sensor Using Piezoelectric Film for Guided Wave Measurement / Y. Tanaka, E. Tamoto, Y. Fujimoto // International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics 33 (3-4), 2010. — P. 1237-1244.

132. Thompson, R. Application of Direct Electromagnetic Lamb Wave Generation to Gas Pipeline Inspection / R. Thompson, G. Alers, M. Tennison // Proceedings of the 1971 IEEE Ultrasonic Symposium. — IEEE, New York, 1972. — P. 91-94.

133. Wilcox, P. Guided Wave Testing of Rail / P.Wilcox, M.Evans, B. Pavlakovic, D. Alleyne, K. Vine, P. Cawley, M. Lowe // Insight 45 (6), 2003. — P. 413-420.

134. Yamasaki, T. Compensation for Dispersion of Longitudinal Wave in Wires / T. Yamasaki, S. Tamai, M. Hirao // J. Jap. Soc. ND Insp. 48 (6), 1999. — P. 362-368.

135. Yamasaki, T. Flaw Detection in Copper Tubes Using Longitudinal Wave by Electromagnetic Acoustic Transducers / T. Yamasaki, D." Kawabe, T. Ohtani,'M. Hirao // Transactions of the Jap. Soc. of Mechanical Engineers. A, 70 (690), 2004. — P. 238245.

136. Yamasaki, T. Flaw Detection in Copper Tubes Using Torsional Wave by Electromagnetic Acoustic Transducers / T. Yamasaki, D. Kawabe, T. Ohtani, M. Hirao // J. Jap. Soc. ND Insp. 52 (2), 2003. — P. 89-94.

137. Yamasaki, T. Waveform Distortion of Longitudinal Wave in Wire by Velocity Dispersion / T. Yamasaki, S. Tamai, M. Hirao // Transactions of the Jap. Soc. of Mechanical Engineers. A, 65 (636), 1999. — P. 1728-1733.

138. Zenghua, L. A New Type Transducer for Torsional Guided Wave Generation and Its Application to Defect Detection in Pipes / L. Zenghua, W. Bin, H. Cunfu, W. Xiuyan, Y. Shiming // Insight 49 (1), 2007. — P. 41-43.

139. Zienkiewicz, O.C. The Finite Element Method. Volume 1: The Basis / O.C. Zienkiewicz, R.L. Taylor. — Fifth edition. — Butterworth Heinemann, 2000. — 692 p. — ISBN: 0-7506-5049-4.

140. Расчетные данные для обоснования оптимальных параметров конечно-элементной модели