автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Разработка критериев оценки типов дефектов сварных соединений тонкостенных труб волнами Лэмба

На правах рукописи

УДК 621 791 052 08

ООЗ166009

Дерябин Алексей Александрович

РАЗРАБОТКА КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ ТИПОВ ДЕФЕКТОВ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТОНКОСТЕННЫХ ТРУБ ВОЛНАМИ ЛЭМБА

Специальность 05 02 11- Методы контроля и диагностика

в машиностроении

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2008

003166009

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете имени Н Э Баумана

Научный руководитель, академик РАН Алешин Николай Павлович Официальные оппоненты.

- д т н , профессор Бобров Владимир Тимофеевич,

- к т н Вадковский Николай Николаевич Ведущее предприятие НПЦ «Эхо-плюс».

Защита состоится «(О» 2008 года на заседании

диссертационного совета Д212.141.01 приМГТУим. НЭ Баумана по адресу 105005, Москва, 2-я Бауманская ул, Д 5

Ваш отзыв на автореферат в 1 экз , заверенный печатью, просим высылать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н Э Баумана

Телефон для справок 267-09-63 л

Автореферат разослан « Ц » кЛЛ^Чри^Л 2008 года

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ДИССЕРТАЦИОННОГО СОВЕТА ДТН., ДОЦЕНТ

Коновалов А В

Актуальность работы В сложившихся экономических условиях в нашей стране стало необходимым оценивать остаточный ресурс технических объектов, отслуживших свой расчетный срок Особую остроту эта задача принимает в коммунальном хозяйстве Речь идет о трубопроводах, обеспечивающих водоснабжение и газоснабжение жилых построек Эта проблема становится особенно важной для высотных зданий, которые эксплуатируются более двадцати лет (например, здание ОАО «Газпром» и ему подобные)

Анализ дефектности трубопроводов, эксплуатирующихся в системах ЖКХ, показал, что в 75 % случаев причиной разрушения является коррозионное поражение, которому сопутствуют поверхностные трещиноподобные дефекты сложной геометрической формы и ориентации Как правило, места коррозионного поражения находятся на участках труб, проходящих через межэтажные перекрытия и стенные перегородки, которые являются недоступными для визуального контроля и профилактических работ

Проведенный анализ показал, что практически единственным методом диагностирования указанных участков трубопроводов является ультразвуковой, причем наиболее эффективным является контроль волнами Лэмба по теневой схеме Это обуславливается тем, что этими волнами могут быть обнаружены поверхностные трещины не только с наружной, но и с внутренней стороны стенки трубы, а также сложно ориентированные дефекты, которые трудно обнаружить объемными волнами

Исследованию возможностей применения нормальных волн посвящены работы российских ученых И А Викторова, В Т Боброва, и иностранных специалистов Gnngsby Т N , Tajchman Е J , Frederick С L , Worlton D С, что еще раз подтверждает большой потенциал их использования

Анализ работ показал, что в настоящее время существуют методики контроля волнами Лэмба, которые позволяют обнаруживать сложно ориентированные поверхностные дефекты, измерять толщину металла, исследовать механические характеристики материалов Остается нерешенным вопрос об обнаружении и идентификации внутренних дефектов, таких как трещины и несплошности объемного типа (поры) Эти дефекты нередко встречаются в сварных соединениях, находящихся по той или иной технологической причине вне зоны доступа для обычных ультразвуковых методов контроля (это так называемые участки трубопроводов, проходящие в «закладных» гильзах, как правило, встречающихся в подпольях зданий)

Для решения поставленной задачи необходимо создать твердотельную модель дифракции, позволяющую учитывать дифракционные волны, образующиеся на дефекте при падении на него

1

упругой волны, и на основе этой модели разработать критерий, однозначно определяющий тип дефекта

Целью работы являлась разработка методики ультразвукового контроля недоступных участков трубопроводов

Задачи исследования

1 Статистический анализ типов дефектов и причин разрушения трубопроводов

2 Анализ существующих методов контроля с целью выбора оптимальной схемы, дающей возможность определять как поверхностные, так и внутренние дефекты тела трубы и сварных соединений недоступных участков трубопроводов

3 Теоретические и экспериментальные исследования влияния геометрии дефектов на параметры распространения нормальных волн

4 Обоснование критериев оценки типов дефектов на основе расчетов параметров нормальных волн, полученных в результате решения задачи дифракции

5 Разработка методики контроля недоступных участков трубопроводов на основе разработанного критерия оценки типов дефектов

Научная новизна

1 Решена задача дифракции нормальных волн для плоскостных и объемных дефектов в твердом теле и показано, что фазовая скорость нормальной волны зависит от угла наклона трещины, а диаметр поры влияет на форму принимаемого сигнала за счет формирования пакетов волн Лэмба волнами соскальзывания поперечного типа

2 На основе анализа временных характеристик распространения нормальных волн разработаны критерии оценки типов дефектов и их размеров

Практическая ценность

Разработана методика ультразвукового контроля недоступных участков трубопроводов и средства для ее реализации

Методы исследования

Методы исследования, использованные в настоящей работе, включали разделы акустики, теоретической физики, математического анализа Решение задач выполнено с применением современной вычислительной техники Экспериментальные исследования проведены на современном отечественном оборудовании, а также на специально созданных образцах

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на международной конференции в г Ялте в 2004 году, на научных семинарах кафедры технологий сварки и диагностики, а также работа была представлена на соискание медали РАН для молодых ученых в направлении «Проблемы машиностроения, механики и процессов управления» в 2001 году 2

Публикации

Материалы диссертации отражены в 3 печатных работах Объем работы

Диссертационная работа изложена на 113 страницах машинописного текста, иллюстрируется 65 рисунками, содержит 2 таблицы, состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы (52 наименования)

Содержание работы В первой главе рассмотрены конструктивные особенности трубопровода, технология его изготовления Был проведен анализ дефектов, встречающихся в трубопроводах ЖКХ данного типа и применяемые методы контроля трубопроводов

Анализ дефектности таких трубопроводов показал, что в 75 % случаев причиной разрушения трубопроводов является коррозионное поражение Такая ситуация является следствием нарушения антикоррозионного покрытия труб, отсутствием электрохимической защиты Во многих случаях, места коррозионного поражения с критической толщиной стенки и менее находятся на участках, проходящих через межэтажные перекрытия и стенные перегородки, так как эти участки труб являются недоступными для визуального контроля и профилактических работ

Анализ особенностей сборки трубопроводов (применение газовой сварки, ручной дуговой сварки) и послесборочного контроля (выборочный контроль сварных швов) показывает, что существует вероятность существования в непроконтролированных сварных соединениях дефектов, приводящих к снижению прочности трубопроводов (трещины, поры) В 20% от числа всех аварийных случаев причиной разрушения трубопроводов являлся человеческий фактор нарушение правил эксплуатации трубопроводов

Анализ существующих методов контроля показал, что практически единственным методом контроля таких трубопроводов является ультразвуковой Наличие на пораженных коррозией участках сложно ориентированных дефектов определяет необходимость применения для диагностирования волн Лэмба, так как этими волнами обнаруживаются дефекты, ориентированные вдоль поверхности, которые трудно найти объемными волнами, а также поверхностные трещины не только с наружной, но и с внутренней стороны

Исследованию возможностей применения нормальных волн посвящены работы как российских, так и иностранных специалистов

В работах И А Викторова, Л М Бреховских, В В Гончарова рассмотрены физические основы применения ультразвуковых волн Лэмба в технике В трудах этих авторов теоретически и экспериментально обосновываются преимущества нормальных волн перед продольными и

3

поперечными объемными волнами для контроля тонкостенных конструкций (с толщинами 0 3 - 25 мм) и обнаружения сложно ориентированных дефектов различной геометрии

В области практического применения волн Лэмба особый интерес представляют исследования В Т Боброва, С К Павроса, В М Веревкина, Н Н Егорова, Л А Никифорова, И А Потапова В частности, В Т Бобровым изучено влияние свойств материала и геометрии тонкостенной сварной конструкции на возбуждение и распространение нормальных волн, изучено взаимодействие этих волн с неоднородностями в твердом слое на основе моделирования дифракции волн Лэмба на дефектах типа риски и вертикальной цилиндрической полости

В трудах С К Павроса, В М Веревкина, Н Н Егорова, Л А Никифорова представлена теория возбуждения, распространения и дифракции нормальных волн на различных неоднородностях в тонких листах

Работы И А Потапова посвящены теоретическим исследованиям распространения волн Лэмба в многослойных изделиях

Публикации многих иностранных специалистов посвящены решению задач распространения волн Лэмба в упругом слоистом полупространстве

Основываясь на трудах выше указанных авторов, был сделан вывод о возможности применения теневой схемы контроля для диагностирования состояния недоступных участков трубопроводов Эта схема контроля позволяет успешно определять наличие расслоения в металле, проводить толщинометрию стенок труб, обнаруживать поверхностные дефекты, а также более удобна при реализации на практике автоматизированных систем контроля

Анализ существующих технологий показал, что на данный момент остается нерешенным вопрос об обнаружении и идентификации внутренних дефектов, таких как трещины и несплошности объемного типа (поры), которые нередко встречаются в сварных соединениях, находящихся на участках трубопроводов, проходящих в «закладных» гильзах

Для решения поставленной задачи необходимо создать твердотельную модель дифракции, позволяющую учитывать дифракционные волны, образующиеся на дефекте при падении на него упругой волны и на основе этой модели разработать критерий, однозначно определяющий тип дефекта

Во второй главе рассмотрены теоретические основы распространения волн Лэмба, проанализированы особенности нормальных волн

В общем случае нормальную волну можно представить как пару продольных и пару поперечных плоских волн (рис.1), взаимно переходящих друг в друга при отражении от границ слоя. Значения для потенциалов можно записать следующим образом: 9> = с{ехр[1'(^г + А;!г-йДГ)]±ехр[/(ф:-^.,г-й*)] } ^

I// = £>{ехр[;'(£г + х^ -«*)]+ схр[;($с -х,г. - ах)] }

где <р, у- скалярный и векторный потенциалы, к3 = ^к} -1;1 , к, = 0),

С/

= -[к* -, к,= — , £ = к1&\п(у1) = к1%т(у,), с,, с,- скорости продольной и

поперечной волн, у,, у, - углы распространения продольных и поперечных волн с осью X, ш - угловая частота, С и Б - амплитуды.

Проанализировав особенности распространения нормальных волн, было установлено следующее.

Применение мод рулевого порядка для обнаружения внутренних дефектов невозможно, потому что при к,/г»1 их фазовые и групповые скорости стремятся к фазовой скорости волны Рэлея с „, смещения становятся локализованными вблизи свободных границ пластины. При этом фазовая скорость зависит от проекции волнового числа на ось, вдоль которой распространяется волна.

Также было обращено внимание на доказанный в работах И. А. Викторова факт, что в первом приближении цилиндрическая кривизна не влияет па скорость и другие характеристики в твердом слое, также и затухание волн Лэмба с расстоянием такое же, как и в плоском слое, что

Рис. 1 . Структура волн Лэмба: Т- поперечная волна, Ь- продольная волна, 2Ъ - толщина пластины

дает возможность переноса методик контроля плоского слоя (листов) на цилиндрический (труб). Эти положения позволили в дальнейшем подойти к решению задачи дифракции волн Лэмба в твердом теле при наличии плоскостных и объемных несплошностей.

Третья глава посвящена решеиию задачи дифракции волн Лэмба и разработке математических моделей влияния геометрии дефекта на параметры нормальных волн.

Решение задачи дифракции состояло из двух независимых подзадач:

а) при наличии плоскостного дефекта (трещины);

б) при иаличии объемного дефекта (поры).

Так как основная линейка датчиков имеет углы ввода, обеспечивающие распространение в металле только поперечной волны, то волна Лэмба будет сформирована только поперечной волной, а значит, задача дифракции нормальных волн сводится к решению задачи дифракции как падение поперечной волны на поверхность дефекта (см. рис. 2)

Рис. 2. Расчетная схема трещины как «акустически не прозрачного» препятствия:

1 - трещина, а - угол наклона трещины, Х\Х1 и X2Z2 - вспомогательные системы координат, Н - толщина пластины, Ь и ЬО - геометрические характеристики трещины и ее расположения

Поперечная волна, падая на трещину и касаясь ее краев, порождает два типа краевых дифракционных волн - поле продольных и поперечных волн.

Особый интерес представляет задача отражения продольной волны, движущейся вдоль поверхности трещины (головной), от конца трещины и формирование краевых волн.

У

н

Решение задачи взаимодействия продольной волны, распространяющейся вдоль трещины, с концами трещины (расчет коэффициента отражения волны, трансформации в другие типы волн, образующихся на концах трещин) представляется следующим образом

Представим конец трещины в виде точки, в которой должны выполняться граничные условия ах = 0, аг = 0 и г,, =0 (напряжения)

Выражения для потенциалов в общем виде запишем в следующей форме

Ф = А ехр[- <?г + ¡(кх - й*)]

у/ = Вехр[-к + ((**-<з*)] (2)

где 52 = к2 ~к2, ч2=к2-к1 В результате находим

- коэффициент отражения продольной волны, распространяющейся вдоль поверхности трещины, от конца трещины

. А м-5г+Ф-2/1?

А,

а22аЪ\ аЪ1а1\

(3)

где

ц Д - постоянные Ламе,

ап =-Як?+Лч2-2(1к? ап=аа„ = -Ц2 + Мс? -2ц$2

У У

а21 = -ЯАк^ а22 = + а2ъ =

У У У

ап =-Лк2 +Ад2 + 2/щ2 ап = -¡2/А^ аъъ + Як2+2/Л2

к,=к,^т2(у)-(ус)2 4з=к(Мп(у) ,>=к2_к1 92=кг_кг

У У У У

у - угол падения поперечной волны на трещину, к- волновое число волны,

- коэффициент трансформации продольной неоднородной волны в поперечную волну на конце трещины

у = Д_ =_(4>

" А „ -Ем^

- коэффициент трансформации продольной неоднородной волны в продольную волну на конце трещины.

_ Л _ У„ап-Ра„ (5)

" ~ л ~

А «31

С использованием полученных выражений (4) и (5), были

рассчитаны амплитуды продольной и поперечной волн, излучаемых концом трещины (дифрагированных волн) при падении на дефект поперечной волны. Для расчета было учтено, что при распространении продольной неоднородной волны вдоль трещины (головной волны), амплитуда этой волны ослабевает по закону г ^, и амплитуда поперечной волны принимается равной единице. В результате получены следующие зависимости, представленные на рис. 3 и рис. 4.

1

У /

/ / / -

1 "X/ 1 1 1 1

.н ж

■ гр;:

Рис. 3. Зависимость амплитуды поперечной волны, излучаемой концом трещины от угла падения поперечной волны на дефект

Рис. 4. Зависимость амплитуды продольной волны, излучаемой концом трещины от угла падения поперечной волны на дефект

Анализ вышеуказанных зависимостей показал:

- амплитуда продольной краевой волны значительно больше амплитуд поперечных краевых волн (при угле падения поперечной волны на поверхность дефекта под углом у = 60" амплитуда продольной краевой волны примерно в 30 раз больше значения поперечной краевой волны); - при угле падения поперечной волны на поверхность дефекта под углом у = 45" амплитуды краевых волн (продольных и поперечных) равны нулю (это объясняется эффектом полного внутреннего отражения падающей на поверхность дефекта поперечной волны).

Из этого следует, что волна Лэмба в этом случае будет сформирована краевой волной продольного типа, направленной по направлению трещины, а влиянием краевых поперечных волн на формирование нормальных волн можно пренебречь из-за незначительности амплитуд этих волн. Значения фазовых скоростей, определяющихся как (ср )„ = ^ > где Ъ, - проекция волновых чисел на ось,

вдоль которых распространяются волны, будут зависеть от угла наклона трещины, так как будет меняться вместе с углом наклона трещины и проекция волнового числа поперечной краевой волны, которая и формирует волну Лэмба. В результате получается, что отношения фазовых скоростей нормальной волны до дефекта и после дефекта будет иметь следующий вид:

С[

втГог,) С,

-— х —

5Ш(СГ ) С,

(6)

С', - фазовая скорость волны Лэмба до дефекта,

фазовая скорость волны Лэмба, образованной в результате дифракции, а, - угол ввода поперечной волны, а - угол наклона трещины.

где

С:,

алг-н и п

О Нп □

□

пэп

Источник

Д ¡'ФС'КТПСКОП

ПЭП

Црие.мн и -

ас тина

?ПП

Рис. 5. Схема проведения эксперимента

Для проверки представленной теории была проведена серия экспериментов, которые подтвердили результаты расчетов.

При проведении эксперимента применялась теневая схема, где имитатор дефекта находился строго посередине между преобразователями (рис. 5).

Образцы были изготовлены из Ст 3 сп по ГОСТ 3262-75, что соответствует материалу изготовления газо-водопроводных труб. Толщина всех образцов составляет 6 мм, шероховатость поверхности - не больше 40, несплошности длиной 3 мм, расположенные под углами наклона 45" и 60" относительно нормали.

На рис. 6 представлен образец с трещиной, расположенной под углом 45", и высотой трещины, равной 3 мм.

Рис. 6. Образец с трещиной

« « ** » К ' 3

и < ■ш ► 4 1 >

3 6

^ .фаз

Рис. 7. Измерение разности времени прихода 82 моды волны Лэмба (частота 1.25 МГц): 1- расчетная кривая для угла ввода волны 40°, 2- расчетная кривая для угла ввода волны 50", 3- экспериментальная кривая для угла ввода волны 40", 4 - экспериментальная кривая для угла ввода волны 50"

Анализ результатов экспериментов (рис.7) показал правильность проведенных теоретических расчетов: погрешность составила 2 мкс, что является погрешностью прибора.

Расчет задачи дифракции для объемного дефекта сводился к решению задачи трансформации поперечной волны, падающей на поверхность дефекта, в волну Рэлея, движению поверхностной волны по вогнутой цилиндрической поверхности и излучению волн соскальзывания (рис.8).

Ср

Рис. 8. Схема дифракции: 1 - волна соскальзывания, 2- волна огибания, Ср — направление движения волны Лэмба (фазовая скорость)

Решение данных задач представлено в литературе, где доказано, что наибольшие значения амплитуд имеют волны соскальзывания поперечного типа, которые будут влиять па формирование волн Лэмба.

Для решения задачи дифракции для несплошности в виде поры необходимо учесть следующее:

- огибающая волна ослабевает по периметру дефекта;

- каждая волна соскальзывания имеет свою проекцию волнового числа, на ось вдоль которой она распространяется (ось X), что будет влиять на фазовую скорость волн Лэмба;

- амплитуда волн соскальзывания будет убывать, в зависимости от удаленности точки излучения этой волны от точки падения поперечной волны.

Рис. 9. Схема формирования волн Лэмба волнами соскальзывания: И - радиус поры

Волны Лэмба будут формироваться в соответствии со схемой, представленной на рис. 9.

Ряд волн формируется за счет отраженных волн от поверхности пластины, часть - волнами соскальзывания без отражения. Величина радиуса поры непосредственно влияет на фазы сформированных волн Лэмба следующим образом:

- для волн Лэмба, сформированных волнами соскальзывания без отражения:

г = -^rxtg(a,¡) ^

- для волн с отражением:

Н-Яып(а„) (8)

С, со8(а„.)

где аи - угол распространения волны соскальзывания (угол касательной к поверхности дефекта и нормалью), Ы - радиус поры.

Для проверки представленной теории были проведены эксперименты, которые подтвердили результаты расчетов. Схема эксперимента соответствует схеме, представленной на рис. 5.

Образцы изготовлены из Ст 3 сп по ГОСТ 3262-75, что соответствует материалу изготовления газо-водопроводных труб. Толщина всех образцов составляет 6 мм, шероховатость поверхности - не больше Кг 40, образцы с имитацией объемных дефектов (пор), имеющие боковые сверления с диаметром 1.0, 1.5, 2.0 мм.

Рис. 10. Изменения формы сигнала от волн Лэмба при наличие бокового сверления диаметром 2 мм

Как видно из рис 10, при наличии в образце бокового сверления диаметром 2 мм, наблюдаются два различимых импульса от асимметричных мод первого порядка и три импульса от симметричных мод нулевого порядка. Принимая за длительность сигнала величину времени от фронта сигнала до линии спада, можно посчитать эту длительность для асимметричных мод первого порядка Ш и симметричных мод нулевого порядка й

В четвертой главе представлен критерий оценки типов дефектов

Критерий состоит в следующем

Если при контроле двумя модами волны Лэмба, одна из которых мода нулевого порядка, а другая - мода, имеющая возможность изменения фазовой скорости при данной толщине и частоте, происходит

- изменение формы сигнала от моды нулевого порядка в диапазоне 2 - 6 мкс свидетельствует об обнаружении объемного дефекта (поры) с условным диаметром, находящимся в диапазоне 1 - 2 мм (частота волны 1 25 МГц),

- изменение времени прихода сигнала в диапазоне -4 мкс (опережение) - 6 мкс (запаздывание) моды Б2 и отсутствие изменения формы сигнала от нулевой моды свидетельствует об обнаружении плоскостного дефекта с углом наклона, находящегося в диапазоне от 10 до 60 градусов (частота 1 25 МГц)

Критерий позволяет определять размеры дефектов не по амплитуде, а по анализу временных характеристик распространения волн Лэмба

В пятой главе представлена технология контроля недоступных участков трубопроводов по теневой схеме Рассчитаны рекомендуемые частоты вводимой волны для различных толщин в диапазоне 3- 6 мм, рекомендуемый угол ввода волны

Также представлен стандартный образец предприятия СОП-1 для настройки необходимого масштаба развертки дефектоскопа и его усиления и устройство позиционирования и перемещения датчиков, применяемых при контроле

Образец СОП-1 изготавливается из материала, соответствующего материалу изготовления объекта контроля, толщина образца -номинальной толщине контролируемого объекта

На бездефектной зоне образца настраивается масштаб развертки таким образом, чтобы были отчетливо различимы сигналы от выбранных для контроля мод волны Лэмба

В зоне с боковым сверлением на образце СОП-1 настраивается коэффициент усиления прибора Рекомендуется усиление прибора устанавливать таким образом, чтобы сигнал от нулевой моды был близок к середине экрана

Система перемещения и позиционирования датчиков состоит из системы крепления и прижатия датчиков, приводится в движение при помощи электродвигателя, имеет электронную систему позиционирования и позволяет автоматизировать работы по контролю недоступных участков трубопроводов.

С целью проверки возможности применения данной технологии контроля на реальных объектах был разработан стенд, имитирующий стенную перегородку (рис.14).

Рис. 11. Составные элементы стенда, имитирующего стенную перегородку: 1- труба, 2, 3 - элементы перегородки, выполненные из бетона

Труба укладывается в цилиндрическую полость одного из элементов перегородки и сверху накрывается другим элементом. В результате получается имитация прохождения трубопровода через перегородку.

В качестве образцов использовались вырезанные участки реальных трубопроводов, имеющих толщину стенок ниже браковочного уровня, вследствие коррозионного поражения. Количество выше указанных образцов составляет 10 штук, где толщины стенок находятся в диапазоне 1.6 мм - 2.1 мм.

Также, для проведения экспериментов были изготовлены образцы, имитирующие дефекты трубопроводов, такие как трещины и непровары. Образцы изготовлялись из труб, материал и толщины которых соответствовали материалу и толщинам объекта контроля (материал Ст 3 сп по ГОСТ 3262-75, толщина - 4 мм). Величины непроваров находятся в диапазоне от 0.8 мм до 2.2 мм, количество образцов составляет 5 штук. 14

Образцы помещались в имитатор стенной перегородки (рис.15) и проводился эксперимент.

Рис. 15. Стенд - имитатор стенной перегородки: 1,2- преобразователи, 3- труба, 4- перегородка, 5- дефектоскоп

Для определения достоверности результатов контроля толщины стенок труб, пораженных коррозией, измерялись поверенным ультразвуковым толщиномером PANAMETRICS 36DL Plus. Величина непровара измерялась при помощи измерительной лупы на шлифах, сделанных из проконтролированных сварных соединений.

Результатом проведенных исследований стало подтверждение возможности применения разработанной методики контроля участков трубопроводов, проходящих через перекрытия и перегородки, где основным критерием оценки была точность определения размеров дефектов. Точность измерения остаточной толщины стенки составило 0.1 мм, а точность определения величины непровара - 0.5 мм.

1. На основе проведенного анализа качества трубопроводов ЖКХ показано, что в 75 % случаев причиной разрушения трубопроводов является коррозионное поражение участков трубопроводов, и в меньшей степени оказывают влияние трещины и поры сварных стыков труб.

2. Решена задача дифракции нормальных волн при падении

Основные выводы и результаты

нормальных волн на плоскостные и объемные дефекты Теоретически и экспериментально показано, что фазовая скорость нормальной волны зависит от угла наклона трещины и не зависит от диаметра округлого дефекта Было доказано, что диаметр поры влияет на форму принимаемого сигнала нулевых мод за счет формирования пакетов волн Лэмба волнами соскальзывания поперечного типа

4 На основе решения задачи дифракции волн Лэмба были получены зависимости, позволяющие в численном виде рассчитать временные параметры распространения волн Лэмба при наличии дефектов разного типа

5 На основе анализа временных характеристик распространения нормальных волн, разработаны критерии оценки типов дефектов и их размеров По форме принимаемого сигнала от нулевых мод и времени прихода сигнала от симметричной моды 2-го порядка можно однозначно определить тип и размер дефекта

6 Разработана методика контроля недоступных участков трубопроводов волнами Лэмба и средства для ее реализации Рассчитаны угол ввода волны, частота для различных толщин Также разработаны механическое устройство позиционирования и перемещения преобразователей, специальный образец, предназначенный для настройки дефектоскопа

7 Представленная методика контроля прошла проверку на специально созданном стенде-имитаторе стенной перегородки Результатом проведенных исследований стало подтверждение возможности применения разработанной методики контроля участков трубопроводов, проходящих через перекрытия и перегородки

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ

1 Алешин Н П, Дерябин А А Разработка критериев оценки типов дефектов сварных соединений тонкостенных труб волнами Лэмба 1 Дифракция волн Лэмба Плоскостной дефект // Сварка и диагностика-2007 - №4 - С 24-26

2 Алешин Н П , Дерябин А А Разработка критериев оценки типов дефектов сварных соединений тонкостенных труб волнами Лэмба 2 Дифракция волн Лэмба Объемный дефект // Сварка и диагностика -2007 - №4 - С 26 - 28

3 Алешин Н П, Дерябин А А Разработка критериев оценки типов

дефектов сварных соединений тонкостенных труб волнами Лэмба // Контроль Диагностика - 2008 - №2 - С 30 - 33

Подписано к печати 21 02 08 Заказ № 103 Объем 1,0 печ л Тираж 100 экз Типография МГТУ им Н Э Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул , д 5 263-62-01

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА КОНТРОЛЯ. 8 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Схема систем горячего и холодного водоснабжения, 8 газоснабжения

1.2. Требования к трубам

1.3. Сборка и сварка трубопроводов. Контроль качества

1.4. Анализ дефектности водо-газопроводных систем 16 коммунального хозяйства

1.5. Анализ существующих методов ультразвукового контроля 19 Выводы по главе 1 •

Глава 2. ВОЛНЫ ЛЭМБА. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 27 Выводы по главе

Глава 3. ДИФРАКЦИЯ ВОЛН ЛЭМБА

3.1. Плоскостной дефект

3.2. Волна Лэмба, сформированная дифрагированными волнами 55 при наличии препятствия в виде трещины

3.3. Объемный дефект

3.4. Волна Рэлея. Цилиндрическая поверхность

3.5. Волна Лэмба, сформированная дифрагированными волнами 68 при наличии препятствия в виде поры

3.6. Экспериментальное исследование влияния геометрии 74 дефекта на распространение волн Лэмба

Выводы по главе

Глава 4. КРИТЕРИЙ ОЦЕНКИ ТИПОВ ДЕФЕКТОВ

Глава 5. МЕТОДИКА КОНТРОЛЯ НЕДОСТУПНЫХ 87 УЧАСТКОВ ТРУБОПРОВОДОВ

5.1. Настройка аппаратуры

5.2. Проведение контроля

5.3. Система позиционирования и перемещения 92 преобразователей

5.4. Экспериментальная проверка методики на реальных 99 образцах

Выводы по главе

В сложившихся экономических условиях в нашей стране стало необходимым оценивать остаточный ресурс технических объектов, отслуживших свой расчетный срок. Особую остроту эта задача принимает в коммунальном хозяйстве. Речь идет о трубопроводах, обеспечивающих водоснабжение и газоснабжение жилых построек. Эта проблема становится особенно важной для высотных зданий, которые эксплуатируются более двадцати лет (например, здание ОАО «Газпром» и ему подобные).

Анализ дефектности трубопроводов, эксплуатирующихся в системах ЖКХ, показал, что в 75 % случаев причиной/ разрушения является коррозионное поражение, которому сопутствуют поверхностные трещиноподобные дефекты сложной геометрической формы и ориентации. Как правило, места коррозионного поражения находятся на участках, проходящих через межэтажные перекрытия и стенные перегородки, так как эти участки труб являются недоступными для визуального контроля и профилактических работ.

Проведенный анализ показал, что практически единственным методом диагностирования указанных участков трубопроводов является ультразвуковой, причем наиболее эффективным является контроль волнами Лэмба по теневой схеме. Это обусловливается тем, что этими волнами могут быть обнаружены поверхностные трещины не только с наружной, но и с внутренней стороны стенки трубы, а также сложно ориентированные дефекты, которые трудно обнаружить объемными волнами.

Исследованию возможностей применения нормальных волн посвящены работы как российских ученых: И.А. Викторова, В.Т. Боброва, так и иностранных специалистов: Gringsby T.N., Tajchman Е. J., Frederick C.L., Worlton D.C. , что еще раз подтверждает большой потенциал их использования.

Анализ работ показал, что в настоящее время существуют методики контроля волнами Лэмба, которые позволяют обнаруживать сложно ориентированные поверхностные дефекты, измерять толщину металла, исследовать механические характеристики материалов. Однако, остается нерешенным вопрос об обнаружении и идентификации внутренних дефектов таких, как трещины и несплошности объемного типа (поры). Эти дефекты нередко встречаются в сварных соединениях, находящихся по той или иной технологической причине вне зоны доступа для обычных ультразвуковых методов контроля (это так называемые участки трубопроводов, проходящие в «закладных» гильзах^ как правило, встречающихся в подпольях зданий).

Для решения поставленной задачи необходимо создать твердотельную модель дифракции, позволяющую учитывать дифракционные волны, образующиеся на дефекте при падении на него упругой волны и на основе этой модели разработать критерий, однозначно определяющий тип дефекта.

Целью работы являлась разработка методики ультразвукового контроля недоступных участков трубопроводов.

Работа состоит из пяти глав.

В первой главе рассмотрены конструктивные особенности трубопровода, технология его изготовления. Был проведен анализ дефектов, встречающихся в трубопроводах ЖКХ данного типа и применяемые методы контроля трубопроводов. Был проведен анализ существующих методов контроля, обоснован выбор теневой схемы контроля волнами Лэмба для недоступных участков трубопровода.

Во второй главе рассмотрены теоретические основы распространения волн Лэмба.

Проанализировав особенности распространения нормальных волн, было установлено следующее.

Применение мод нулевого порядка для обнаружения внутренних дефектов невозможно, потому что при k,h>> 1 их фазовые и групповые скорости стремятся к скорости волны Рэлея cR, смещения становятся локализованными вблизи свободных границ пластины. При этом' фазовая скорость зависит от проекции волнового числа на ось, вдоль которой^ распространяется волна.

Также было обращено внимание на* доказанный- в. работах И'. А. Викторова факт, что в первом приближении- цилиндрическая кривизна не влияет на'скорость и затухание во лн< Лэмба;,что дает возможность.переноса методик контроля плоского слоя (листов) на цилиндрический слой (труб).

Эти положения позволили в дальнейшем* подойти к решению задачи-дифракции волн Лэмба в твердом теле при наличии плоскостных и объемных несплошностей:

Третья глава* посвящена решению задачи, дифракции' волн Лэмба1 и разработке математических моделей влияния геометрии- дефекта на параметры, нормальных волн. Было показано, что угол наклона трещины влияет на? фазовые скорости мод волны Лэмба, а диаметр поры влияет на форму принимаемого сигнала мод нулевого порядка за счет формирования пакетов волн Лэмба волнами соскальзывания поперечного типа; Проведенное экспериментальное исследование влияния геометрии дефектов на распространение нормальных волн подтвердило результаты расчетов.

В четвертой главе представлен критерий оценки типов-дефектов.

Критерий состоит в следующем.

Если при контроле двумя модами волны Лэмба, одна из которых мода нулевого порядка^ а другая. - мода, имеющая^ возможность изменения фазовой скорости при данной толщине и частоте, происходит:

- изменение формы сигнала от моды нулевого порядка (рис. 10), то обнаружен объемный дефект (пора), где ширина сигнала по времени определяет диаметр поры;

- изменение формы сигнала моды нулевого порядка не происходит, а происходит изменение времени прихода сигнала от моды, имеющей возможность изменения фазовой скорости при данной толщине и частоте, то обнаружен плоскостной дефект.

Критерий позволяет определять размеры дефектов не по амплитуде, а по анализу временных характеристик распространения волн Лэмба.

В пятой главе представлена технология контроля недоступных участков трубопроводов по теневой схеме. Рассчитаны рекомендуемые частоты вводимой волны для различных толщин в диапазоне 3-6 мм, рекомендуемый угол ввода волны.

Также представлен стандартный образец предприятия СОП-1 для настройки необходимого масштаба развертки дефектоскопа и его усиления и устройство позиционирования и перемещения датчиков, применяемых при контроле.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. На основе проведенного анализа качества трубопроводов ЖКХ, показано, что 75 % случаев, причиной разрушения трубопроводов является коррозионное поражение участков трубопроводов, и в меньшей степени оказывают влияние трещины и порыхварных стыков труб.

2. Решена задача дифракции нормальных волн при падении нормальных волн на плоскостные и объемные дефекты. Теоретически и экспериментально показано, что фазовая скорость нормальной волны зависит от угла наклона трещины и не зависит от диаметра округлого дефекта. Было доказано, что диаметр поры влияет на форму принимаемого сигнала мод нулевого порядка за счет формирования пакетов волн Лэмба волнами соскальзывания поперечного типа.

4. На основе решения' задачи дифракции волн Лэмба были, получены зависимости, позволяющие в численном виде рассчитать временны параметры распространения волн Лэмба при наличии дефектов разного типа.

5. На основе анализа временных характеристик распространения нормальных волн, разработаны критерии оценки типов дефектов и их размеров. По форме принимаемого сигнала от мод нулевого порядка и времени прихода сигнала от симметричной моды 2-го порядка можно однозначно определить тип и размер дефекта.

6. Разработана методика контроля недоступных участков трубопроводов, волнами Лэмба и средства для ее реализации. Рассчитаны угол ввода волны, частота для различных толщин. Также разработаны механическое устройство позиционирования и перемещения преобразователей, специальный образец, предназначенный для настройки дефектоскопа.

7. Представленная методика контроля прошла проверку на специально созданном стенде-имитаторе стенной перегородки. Результатом проведенных исследований стало подтверждение возможности применения разработанной методики контроля участков трубопроводов, проходящих через перекрытия и перегородки.

1. Щербинский В.Г., Алешин Н.П. Ультразвуковой контроль сварных соединений. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. - 496 с.

2. Бреховских Л.М., Гончаров В.В. Введение в механику сплошных сред.-М.: Наука, 1982.-335 с.

3. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973. - 344 с.

4. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Издательство иностранной литературы, 1957. - 726 с.

5. Викторов И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах.- М.: Наука, 1981.-288 с.

6. Викторов И.А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике. М.: Наука, 1966. - Гл. 1. - С. 5 - 77.

7. Шрайбер Д.С. Ультразвуковая дефектоскопия. М.: Металлургия, 1965. -391 с.

8. Выборное Б.И. Ультразвуковая дефектоскопия. М.: Металлургия, 1974.-240 с.

9. Кайно Г. Акустические волны. М. Мир, 1990. - 656 с.

10. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. М.: Наука, 1965. - 202 с.

11. П.Алешин Н.П., Баранов В.Ю., Могильнер Л.Ю. Повышениевыявляемости объемных дефектов // Дефектоскопия. 1985. - № 7. — С. 24 - 32.

12. Алешин Н.П., Волков С.А., Мартыненко С.В. Расчет, поля рассеяния на плоскостных дефектах // Дефектоскопия. — 1984. № 11. - С. 3 - 10 .

13. Алешин Н.П., Могильнер Л.Ю. Анализ упругого поля ультразвуковых волн, рассеянных на цилиндрической полости // Дефектоскопия.- 1982.-№ 12.-С. 18-30.

14. Бобров В.Т. Влияние характера дефекта на эффективность, ультразвукового контроля при радиочастотной сварке труб // Сварочное производство. 1969. - № 6. - С. 22-24.

15. Экспериментальное исследование особенностей возникновения и распространения волн Лэмба при импульсном возбуждении методом клина / И.Н. Ермолов, В.Т. Бобров, С.В. Веремеенко и др.

16. Дефектоскопия. 1971. - № 2. - С. 43 - 49 .

17. Лебедева Н.А., Бобров В.Т. Влияние дисперсии на ослабление импульса волн Лэмба// Дефектоскопия. 1973. -№ 1.-С. 131-133.

18. Никифоренко Ж. Г., Бобров.В. Т., Авербух И.И. Распространение волн Лэмба в анизотропных листах // Дефектоскопия. 1972. - № 5. - С. 5663.

19. Бобров В.Т., Лебедева Н.А. О характере отражения и трансформации импульса волн Лэмба на кромке и на дефекте типа риски

20. Ультразвуковые методы неразрушающего контроля: Материалы Всесоюзной научно-технической конференции. Киев, 1970. - С. 99.

21. Будадин О.А., Потапов И.А. Теоретические основы ультразвукового неразрушающего контроля многослойных изделий из композитов с резиноподобным покрытием. 1. Моделирование процесса возбуждения и распространения упругих волн в цилиндрической оболочке.

22. Дефектоскопия. 2006. - № 11. - С. 29-40.

23. Викторов И;А., Зубова О.М., Каекина Т.М. Исследование возбуждения: волн Лэмба1 методом «клина» // Акустический журнал. 1963. - № 2. -С. 412-418.

24. Викторов И.А., Зубова О.М. О диаграммах направленности излучателей волн Лэмба и Рэлея // Акустический журнал. 1964. - №4:1. С. 171 175.

25. Викторов И;А., .Зубова О.М. Нормальные волньг в твердом цилиндрическом слое://Акустический журнал. 1963; - №1. -С. 19-22.

26. Вопилкин А.Х. Волны дифракции и их применение в ультразвуковом неразрушающем контроле. 1. Физические закономерности волн дифракции // Дефектоскопия. 1985.- № 1. - С. 20 - 34.

27. Вопилкин А.Х. Волны дифракции и их применение в ультразвуковом неразрушающем контроле. 2. Практическое' использование волн дифракции // Дефектоскопия. 1985. - № 2. - С. 72 - 86.

28. Веревкин В.М., Паврос С.К. Развитие ультразвуковых методов и средств, автоматизированного контроля листового проката // Известия ГЭТУ. 1997 - Вып. 505.- С. 12-25.

29. Гурвич А.К., Ермолов И.Н. Ультразвуковой контроль сварных Швов. — Киев: Техника, 1972.-460 с.

30. Гурвич А.К., Кузьмина Л.И. Основные параметры ультразвукового контроля сварных соединений, принципы их стандартизации и эталонирования: Обзор // Дефектоскопия. 1970; - № 6. - G. 4 - 27.

31. Григорьев MiB., Гуревич А.К., Гребенников В.В. Ультразвуковой способ определения размеров трещин// Дефектоскопия. 1979; -№ 6. -С. 50 -56:

32. Горная С.П. Физические основы ультразвуковых методов контроля. -М.: Машиностроение-Г, 2007. 75 с.

33. Ермолов И.Н. Контроль ультразвуком: Краткий справочник. М.: НПО ЦНИИТМАШ, 1992. - 86 с.

34. Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. — М.: Машиностроение, 1981. -240 с.

35. Жарков К.В., Меркулов Л.Г., Пигулевский Е.Д. Затухание нормальных волн в пластине со свободными границами // Акустический журнал. -1964.- №2.-С. 163-166.

36. Кретов Е.Ф. Ультразвуковая дефектоскопия в энергомашиностроении: Учебное пособие. С.-Петербург: Издательство «Радиовионика», 1995. -336 с.

37. Лепендин Л.Ф. Акустика. М.: Высшая школа, 1978.- 448 с.

38. Партон В.З., Перлин П.И. Методы математической теории упругости.-М.: Наука, 1981.- 625 с.

39. Б.-К. Жэн, Л. Лу. Нормальные волны в упругом слоистом полупространстве // Акустический журнал. 2003 . - Т. 49, № 4.1. С. 501-513.

40. Lehfeldt W. Ultrasonic testing of sheet with Lamb waves // Mater, test. -1962.- №9.-P. 331 -337.

41. Gringsby T.N., Tajchman E. J. Properties of Lamb waves relevant to the ultrasonic inspection of thin plates // Ultrasonic Engng. -1961.- № 1.1. P. 26-33.

42. Frederick C.L., Worlton D.C. Ultrasonic thickness measurements with Lamb waves // Nondestruct. test. 1962. - №1. - p. 51 - 55.

43. Матвеев A.C., Краковяк М.Ф. Новая аппаратура ультразвуковой дефектоскопии тонкостенных труб // Труды ЦНИИТМАШ. 1962. -№33- С. 26-37.

44. Пешков А.А., Устинов Ю.А. Затухание нормальных волн в неоднородной пластине, лежащей на поверхности жидкости, илокализация колебаний // Изв. Вузов* Северо-Кавказ. регион. Естеств. науки. 2001. - Спец. выпуск. - С. 135-137.

45. Пешков А.А. Затухание нормальных волн в двухслойной полосе, лежащей на поверхности идеальной сжимаемой жидкости // Труды аспирантов и соискателей Ростовского государственного университета. -2002.-Т. 8.- С. 10-12.

46. Пешков А.А., Устинов Ю.А. О просвечивании акустической среды через толстую двухслойную стенку на критических частотах

47. Современные проблемы механики сплошной среды: Труды VIII Международной конференции. Ростов, 2003. - С. 125-128.

48. Ушаков В.М., Белый В.Е., Вопилкин А.Х. Экспериментальное исследование акустических полей рассеяния продольных и поперечных волн на эллиптических полостях // Дефектоскопия. 1987. - № 3.1. С. 51-5.

49. Фирсов И. П. Спектр возбуждения волн Лэмба в пластине // Дефектоскопия. 1972. - №5. - С. 3.

50. Фирсов И. П. Дифракция волн Лэмба на поверхностном канале при нормальном падении // Научные доклады НТС (София). 1974.1. Кн. 31.- С.10.

51. Ямщиков B.C., Данилов В.Н. Об отражении продольных и> поперечных упругих волн от цилиндрической полости в полупространстве

52. Дефектоскопия. 1984. - № 4. - С. 3 - 11.

53. ГОСТ 3262 75 Трубы стальные водогазопроводные. Технические условия. Дата введения 01.01.1977 - М.: Издательство Стандартов, 1975.-7 с.

54. СНиП 3.05.02-88 Газоснабжение. М: Государственный комитет СССР по делам строительства, 1988. 33 с.

55. СНиП 3.05.05-84 Технологическое оборудование и технологические трубопроводы. М: Государственный комитет СССР по делам строительства, 1985. — 40 с.

56. Федеральное агентство по образованию ФГУ Научно-учебный центр НЯр^ «Сварка и контроль» при МГТУ им. Н.Э. Баумана

57. Технологии контроля недоступных участков тонкостенных трубопроводов

58. Заведующий кафедрой МТ-7 ----7/---""академик РАН Ш.П. Алешин)