автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка методики и аппаратуры волноводного электромагнитно-акустического контроля линейно-протяженных объектов с использованием многократных отражений

005538676

На правах рукописи

Злобин Денис Владимирович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И АППАРАТУРЫ ВОЛНОВОДНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ЛИНЕЙНО-ПРОТЯЖЕННЫХ ОБЪЕКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОГОКРАТНЫХ ОТРАЖЕНИЙ

Специальность:

05.11.13 — Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

Ижевск 2013

005538676

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессо

Муравьева Ольга Владимировна

Официальные оппоненты: Ясовеев Васих Хаматович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Уфимский государственны технический университет, г. Уфа

Лебедева Марина Юрьевна

кандидат физико-математических наук, ФГБУН Физико-технический институт Уральского отделения РАН, г. Ижевск

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк

Защита состоится 13 декабря 2013 г. в 16:00 на заседании диссертационног совета ДМ 004.013.02 при ФГБУН Институт механики Уральского отделени РАН по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34, учен му секретарю совета Тарасову В.В., тел./факс: (3412)20292 e-mail: ipm@udman.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБУН Институ механики Уральского отделения РАН, с авторефератом — на сай http:/vak.ed.gov.ru

Автореферат разослан « $ » ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ДМ 004.013.02

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Линейно-протяженными принято называть объекты, длина которых превышает прочие размеры в сто и более раз. В номенклатуре металлообрабатывающей промышленности к линейно-протяженным объектам относятся стальной прутковый прокат и разнообразные изделия из него (насосные штанги, валы центробежных насосов, тросы, арматура и прочее). Данные изделия находят широкое применение в различных отраслях (металлургия, машиностроение, транспорт, нефтяная и газовая промышленность). Гарантией безаварийной работы указанных изделий является выявление недопустимых дефектов на стадии прутка-заготовки. Важной особенностью таких объектов является трудность реализации применительно к ним стандартных методик неразрушающего контроля (НК). Традиционно для контроля подобных объектов используют вихретоковый, магнитный и ультразвуковой (УЗ) методы контроля, имеющие общий недостаток - необходимость сканирования объекта, что отрицательно сказывается на производительности установок. Вихретоковый и магнитный виды НК, несмотря на преимущество бесконтактной работы, не позволяют выявлять внутренние дефекты и характеризуются неоднозначностью интерпретации результатов контроля. Контактные УЗ методы требуют высокого качества обработки поверхности объекта и применения контактных сред, что зачастую трудновыполнимо, особенно для горячекатаного проката и проката малых диаметров. В связи с этим все больший интерес у отечественных и зарубежных разработчиков вызывают методики, основанные на использовании нормальных волн (Лэмба и Похгаммера), распространение которых возможно только в протяженных объектах. Среди их преимуществ — отсутствие необходимости сканирования, как следствие, возможность контроля при локальном доступе к объекту, высокая производительность контроля, возможность выявления дефектов различного типа.

Как правило, при реализации волноводных методик контроля используют классический эхо-метод, как наиболее чувствительный к дефектам. Известно, что комбинированный эхо-сквозной метод объединяет преимущества амплитудного теневого и эхо-метода, однако его чувствительность ограничена количеством сквозных прозвучиваний в связи с потерями, обусловленными затуханием ультразвука в материале, расхождением ультразвукового пучка, потерями при отражении на границе объект контроля - контактная жидкость - преобразователь, отражательной способностью дефекта. При реализации волноводного контроля прутков с использованием стержневой (крутильной) волны ввиду отсутствия потерь на расхождение и несущественного затухания в области низких частот, возможно наблюдение серии многократных отражений зондирующего импульса от дефектов и свободных торцов прутка в достаточно протяженных объектах. Дополнительные преимущества позволяет получить реализация полностью бесконтактной методики волноводного контроля с использованием электромагнитно-акустических (ЭМА) преобразователей. Отсутствие потерь на поглощение энергии преобразователем позволяет еще более увеличить чувствительность метода к дефектам; а также использовать в качестве информативных дополнительные параметры - скорость и затухание УЗ волны.

\

В связи с этим, весьма актуальным представляется исследование круга вопросов, связанных с научным обоснованием и разработкой методики и аппаратуры волноводного ЭМА контроля стального пруткового проката с использова нием эхо-сквозного метода на многократных отражениях.

Работа выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой про граммы Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потен циала высшей школы (2009-2011 годы)» (проект №2.1.2/12069); Программь стратегического развития ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т.Калашникова» н 2012-2016 (проект ПСР/М2/Н2.5/МВВ); государственного задания Министер ства образования и науки РФ ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М. Т. Калашникова> на 2012-2014 годов в части проведения научно-исследовательских работ (про ект № 7.1378.2011); гранта Американского акустического общества (ASA 2000 г.).

Степень разработанности темы. Потенциальные возможности волновод ного акустического метода, обуславливают все возрастающий интерес к не! множества научных школ и фирм-разработчиков. Исследования в этой облает проводятся в России (СПбГЭТУ «ЛЭТИ», МГТУ им. Баумана, ИжГТУ имен М.Т. Калашникова, ООО «Акустические Контрольные Системы», ЗАО «НИИ ИН МНПО «СПЕКТР»), на Украине (Национальный технический институт Ук раины «КПИ», Институт электросварки им. Э.С. Патона), в Респ. Молдов (НИИНК АО «ИНТРОСКОП»), в университетах США, Великобритании, Ита лии, Респ. Корея и многих других странах.

Преимущественно разрабатываемые системы волноводного акустическо го контроля ориентированы на контроль крупногабаритных объектов, напри мер, труб нефте- и газопроводов, эхо-методом с использованием волн Лэмба крутильных волн (система WaveMaker, Guided Ultrasonics, Ltd., Великобрита ния; система Teletest, MetalCare Inspection Services, Inc., Канада; система Lon Range Guided Wave Ultrasonic Inspection System, Dacon Inspection Services Co. Ltd., Тайланд). Для возбуждения и приема акустических волн используются как правило, сложные многоэлементные системы фазированных датчиков.

Целью работы является: научное обоснование и разработка методики и ап паратуры волноводного ЭМА контроля стального пруткового проката с исполь зованием эхо-сквозного метода на многократных отражениях для повышени чувствительности методов и средств волноводного контроля.

Цель соответствуют следующим областям исследования по паспорту спе циальности 05.1.13: п.1. «Научное обоснование новых и усовершенствовани существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природ ной среды, веществ, материалов и изделий»; п. 2. «Разработка и оптимизаци методов расчета и проектирования элементов, средств, приборов и систем ана литического и неразрушающего контроля с учетом особенностей объектов кон троля»; п.З. «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систе контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучши характеристики по сравнению с прототипами».

В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи:

1. Разработка математической модели распространения волн в прутках в ус ловиях многократных отражений.

2. Экспериментальные исследования процессов распространения стержневых волн в прутках в условиях многократных отражений и обоснование информативных параметров волноводного ЭМА метода.

3. Разработка методов проектирования аппаратуры, реализующей волновод-ный ЭМА метод на многократных отражениях.

4. Аппаратная реализация акустических волноводных методик с использованием ЭМА принципов возбуждения и приема акустических волн.

Объект исследований: методика и аппаратура волноводного акустического контроля прутков.

Предмет исследований: модели процессов распространения стержневых волн в прутках и их взаимодействия с дефектами в условиях многократных отражений, информативные параметры и методика волноводного акустического контроля, расчет и проектирование элементов аппаратуры при реализации ЭМА метода возбуждения и приема акустических волн.

Методология и методы исследования: при разработке моделей процессов распространения стержневых волн и их взаимодействия с дефектами использован аппарат теории упругости, теории акустики твердого тела. При экспериментальных исследованиях использовался ЭМА метод на многократных отражениях, реализованный с использованием двухполярного возбуждения, методы статистической обработки экспериментальных данных.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждены корректным использованием методов теории упругости, акустики твердого тела, сопоставлением теоретических и экспериментальных результатов, оценкой погрешности измерений, воспроизводимость экспериментальных результатов, использованием в работе поверенных средств измерений.

Научная новизна.

1. Разработана модель акустического тракта волноводного метода при контроле пруткового проката в условиях многократных отражений, основанная на закономерностях распространения стержневой волны в прутке и их взаимодействия с модельным отражателем, учитывающая параметры аппаратуры (способ возбуждения и приема, рабочая частота), геометрические параметры и упругие свойства объекта контроля.

2. Оценена чувствительность волноводного метода контроля в условиях многократных отражений в зависимости от количества регистрируемых отражений, геометрических параметров объекта и модельного отражателя, рабочей частоты аппаратуры с использованием стержневых и крутильных волн, позволившая оптимизировать основные параметры аппаратуры.

3. Обоснованы новые информативные характеристики (коэффициенты отражения от дефектов на любых отражениях, ослабление импульсов многократных отражений, скорость распространения волны, эффективность ЭМА преобразования) и предложена методика их оценки с минимальной погрешностью для реализации возможностей дефектоскопии и структуроскопии волноводным методом.

4. Разработаны методы проектирования элементов генератора зондирующих импульсов и ЭМА преобразователей стержневых волн, оптимизированы методы расчета приемно-усилительного тракта при реализации полностью бескон-

тактной методики контроля пруткового проката с позиций достижения максимальной чувствительности метода, минимизации искажений принимаемых импульсов, минимизации мертвой зоны, защиты от зондирующего импульса и внешних помех, высокого отношения сигнал-шум, уменьшения остаточной на магниченности прутка.

Теоретическая и практическая значимость.

Математическая модель акустического тракта волноводного метода на мно гократных отражениях может служить основой при разработке методик средств волноводного контроля при различных параметрах объекта и аппарату ры контроля.

Методика волноводного ЭМА контроля прутков в условиях многократнь ; отражений обладает следующими преимуществами: существенное повышени чувствительности к дефектам при анализе сигнала на дальних отражениях н фоне электрических шумов и акустических сигналов, обусловленных волнам нежелательного типа; повышение информативности контроля за счет использо вания дополнительных информативных характеристик; улучшение разрешаю щей способности и уменьшение мертвой зоны за счет получения более низко добротных сигналов; возможность реализации контроля при односторонне доступе к торцу прутка; возможность автоматизации контроля за счет исполь зования проходных ЭМА преобразователей.

Данные об эффективности ЭМА преобразования, скорости и затухани стержневых волн позволили оценить степень контролепригодности прутков и конструкционных сталей при контроле волноводным ЭМА методом н многократных отражениях.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, методи проектирования элементов аппаратуры ЭМА контроля использованы пр разработке акустических дефектоскопов прутков (АДП), насосных штан (АДНШ), насосно-компрессорных труб (АДНКТ) (изготовитель ООО «НПИ «Качество», акт о внедрении прилагается).

Результаты исследований внедрены в учебный процесс подготовки бака лавров по направлению 200100 «Приборостроение» (акт о внедрении ФГБО ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова»).

Положения, выносимые на защиту.

1. Разработанная математическая модель акустического тракта волноводно го метода на многократных отражениях при контроле пруткового проката, учи тывающая затухание стержневой волны, ее взаимодействие с дефектами, спо соб возбуждения и приема, геометрические параметры объекта контроля и мо дельного отражателя, упругие свойства объекта, рабочую частоту.

2. Выявленные зависимости чувствительности метода на многократных от ражениях от количества регистрируемых отражений при контроле прутков раз личной длины на различной рабочей частоте с использованием стержневых крутильных волн.

3. Научно-обоснованные информативные характеристики волноводного ме тода контроля в условиях многократных отражений: коэффициенты отражени от дефектов на любых отражениях, ослабление импульсов многократных отра жений, скорость распространения волны, эффективность ЭМА преобразования

4. Способ возбуждения ЭМА преобразователя с помощью двухполярного зондирующего импульса и результаты оптимизации приемно-усилительного тракта при реализации бесконтактной методики контроля пруткового проката.

Личный вклад автора. Разработка теоретической части работы, экспериментальные исследования, разработка и изготовление опытных установок, анализ полученных данных были проведены автором лично. Выбор приоритетов, направлений и методов исследования и форм представления результатов, формирование структуры и содержания работы, формулирование основных положений выполнены при активном участии научного руководителя д.т.н., профессора Муравьевой О.В.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня: IX Европейской конференции по неразрушающему контролю (г. Берлин, 2006 г), Международной конференции «Defektoskopie 2005» (г. Зноймо, Чехия, 2005 г.); III Международной конференции «Диагностика трубопроводов» (г.Москва,

2001 г.), III Международной научно-технической конференции «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (г. Тюмень, 2005 г.); Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения» (г.Тверь,

2002 г.); научно-технических конференциях «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 2004, 2006, 2011 гг.); II Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, посвященной 60-летию Ижевского государственного технического университета имени М.Т. Калашникова (г. Ижевск, 2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ, из них 8 статей в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 18 публикаций в сборниках трудов конференций..

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 176 наименований, 2 приложений. Основная часть диссертации изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе рассмотрены существующие методы контроля, применение которых возможно для линейно-протяженных объектов, в частности, прутков, к числу которых относятся ультразвуковой, магнитный, вихретоковый. Показаны недостатки методов: невозможность контроля всего сечения прутка, сложность построения аппаратуры для протяженных объектов. Аргументированы актуальность и перспективность использования волноводных методов контроля. Рассмотрены основные направления развития метода, указаны научные школы, работающие в этом направлении. Описана новая методика контроля линейно-протяженных объектов с использованием стержневой и крутильной волн, раз-

работанная на кафедре «Приборы и методы контроля качества» ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» под руководством профессора Г.А. Буден-кова, разработанные и внедренные дефектоскопы АДНКТ и АДНШ. Указаны недостатки использования контактных преобразователей и аргументирована необходимость разработки методик ЭМА приема.

Во второй главе представлена модель акустического тракта волноводного метода при контроле пруткового проката в условиях многократных отражений, основанная на закономерностях распространения стержневой волны в прутке и их взаимодействия с модельным отражателем. При реализации волноводного контроля прутков с использованием стержневой (крутильной волн) ввиду отсутствия потерь на расхождение и несущественного затухания в области низких частот, возможно наблюдение серии многократных отражений зондирующего импульса от дефектов и свободных торцов прутка. При этом в качестве информативных параметров наряду с амплитудами эхо-импульсов, отраженных от дефектов, могут выступать скорость и затухание волн. Схема, поясняющая реализацию данного метода контроля, представлена на рисунке 1, примеры дефек-тограмм при использовании ЭМА и пьезоприемников - на рисунке 2.

Рисунок 1 - Функциональная схема установки контроля пруткового проката (1 - генератор зондирующих импульсов, 2 - излучатель, 3 - пруток, 4 - приемник, 5 - усилитель, 6 - осциллограф , 7 - генератор синхроимпульсов, 8 - искусственный дефект)

а б

Рисунок 2 - Примеры дефектограмм многократных отражений в прутке: а - ЭМА прием; б - пьезоприем

Так как стержневая волна, распространяясь вдоль прутка, не расходится с расстоянием (считается плоской), то потери энергии происходят за счет внутреннего затухания и за счет потерь при отражении от границы торец - преобразователь. При отсутствии в объекте контроля дефектов серия отраженных импульсов стержневой волны может быть описана уравнением:

£/„=£/0/С'<Г2Л\ (1)

где 11„- амплитуда «-го отраженного импульса, Яе - коэффициент отражения от границы торец - преобразователь; 8 - коэффициент затухания в объекте; Ь -длина прутка.

При наличии в прутке дефекта наблюдается дополнительное ослабление отраженных импульсов, обусловленное отражением (ограниченной прозрачностью) дефектного участка. С учетом этого отраженный от торца импульс стержневой волны [/„

ип^и0-О2;-Я:-,-е'2а-п (2)

Согласно схеме формирования эхо-импульсов от дефектов, амплитуда эхо-сигнала £/</„, отраженного от дефекта на и-м отражении соответственно может быть описана формулой:

и„„=и0 -п. ВТ" ■ к ■ к' ■ е2а("-'> ■ (3)

?

где 11л - амплитуда эхо-сигнала от дефекта на первом отражении.

В соответствии с закономерностями распространения плоских акустических волн в волноводах, отражение и прохождение через дефектный участок волновода определяется изменением его механического импеданса. В случае, если свойства материала волновода не меняются (рС=сот1), а меняется лишь его сечение, коэффициенты отражения и прозрачности Ц/ через дефектный участок определяется аналогично случаю перехода плоской волны из волновода сечения 5; в волновод сечения по формуле:

25. р _ ~

= '"^¡Л- (4)

Если изменение сечения происходит на ограниченной длине дефекта /Л то скачок поперечного сечения волновода с 5/ до & выражается следующим формулами для коэффициентов отражения и прозрачности Д/ПО амплитуде:

(5)

+ 522 ;2 + /С0)

_2Síexp(Md/C0)

(6)

(5, +Б2)

где со - циклическая частота волны, С0 - скорость стержневой волны. Анализ формул (5) - (6) показывает, что зависимости ¡^ и Д/ являются гармоническими функциями параметра <у/<//С0. Максимумы /?,/ имеют место при условии ¡и=(2к-1) 'А(/4; Лд - длина стержневой волны, к - целое число. Максимумы коэффициента прозрачности имеют место при . ¡¿=кЯ(/2

Формулы (1) — (6) описывают акустический тракт при реализации метода многократных отражений протяженных объектов с использованием стержне-

вых и крутильных волн при отсутствии дисперсии скорости и позволяют проанализировать влияние всех указанных факторов на эффективность контроля и точность определения его информативных параметров.

На рисунке 3 представлены результаты расчета зависимостей ослабления относительных амплитуд донных сигналов и„ и изменения относительных амплитуд эхо-сигналов от дефектов Цпостроенные в соответствии с формулами акустического тракта (1) - (6) для случаев бесконтактного (ЭМА-ЭМА) и бесконтактно-контактного (ЭМА-пьезо) вариантов.

Ц<ьЛЛ. от.ед.

1

0,75 0,5 0,25 О

11,11,, от.ед.

а ЭМА-ЛЭМА

N \>

ЭМА-пьезо

6 12 18 24 -теория * ■ эксперимент

О 6 12 18 24 -теория * ■ эксперимент

Рисунок 3 - Относительное изменение амплитуды донных сигналов и„ и эхо-сигналов от дефекта 1]ф, в зависимости от номера отражения п

от.ед.

а

\ эм уэм 44

пьезо

и^т^Ил, от.ед.

0,04 0,06

а

от.ед.

экй- « /

ЭМА /

/

ЭМА-пьезо

0,9

К

С/л, „,¿11 л, от.ед.

г

ЭМА ЭМА

ЭМА-

10 20 30 40 Г

50 60 %

Рисунок 4 - Зависимость превышения сигнала от дефекта на птах отражении тт над сигналом от дефекта на первом отражении и^: от коэффициента затухания 5(а.) от длины прутка Ь (б); от коэффициента отражения от торца /?,, (в); от относительной площади дефекта ¿"¿(г)

На тех же графиках нанесены экспериментальные точки, свидетельствую щие об удовлетворительном согласовании теоретических и экспериментальны зависимостей акустического тракта метода многократных отражений. На ри

сунке 4,а представлены зависимости превышения сигнала от дефекта иф,тах на отражении птах, соответствующего максимальной чувствительности метода, над сигналом от дефекта на первом отражении £/<« от коэффициента затухания 5 для двух вариантов реализации метода. Видно, что при малых коэффициентах затухания эффект повышения чувствительности метода является существенно преобладающим для варианта реализации ЭМА-ЭМА в сравнении с вариантом ЭМА-пьезо. Рисунок 4,6 иллюстрирует зависимость превышения сигнала от дефекта на птах отражении над сигналом от дефекта на первом отражении от длины прутка Ь. Влияние на процесс нарастания чувствительности коэффициента отражения от торца Ие представлен на рисунке 4,в. При этом уменьшение коэффициента отражения с 1 до 0,7 приводит к отсутствию эффекта нарастания чувствительности в случае варианта реализации метода ЭМА-пьезо. Зависимость влияния на эффект повышения чувствительности размеров отражателя в прутке представлен на рисунке 4,г. В области значений площади дефекта в пределах 10% от площади поперечного сечения прутка, эффект нарастания чувствительности практически постоянный, при более крупных дефектах проявление этого эффекта уменьшается.

В случае использования при контроле прутка крутильной волны отражение от дефекта, сопровождающегося изменением поперечного сечения стержня с 5/ на происходит как вследствие уменьшения поперечного сечения стержня, так и уменьшения скорости ее распространения с Сц до СТ2 на дефектном участке и коэффициент отражения Я от дефектного участка может быть рассчитан по формуле:

Скорость крутильной волны Ст определяется моментом инерции при кручении 4, моментом инерции сечения стержня относительно его центра инерции /, плотностью среды р, модулем сдвига ¡х.

Теоретически и экспериментально исследованы сравнительные зависимости коэффициентов отражения Я стержневых и крутильных волн от размера искусственного отражателя. Показано, что крутильная волна обладает более высокой (в среднем в два раза) чувствительностью к выявлению дефектов прутков по сравнению со стержневой волной.

Представленные формулы акустического тракта метода многократных отражений и исследованные зависимости чувствительности метода от количества отражений при различных параметрах объекта контроля позволяют оценить и оптимизировать параметры метода (количество регистрируемых отражений, чувствительность) при контроле прутков различного диаметра и длины на различной рабочей частоте.

В третьей главе показано, что при реализации метода многократных отражений наряду с общепринятыми информативными параметрами комбинированных методов (амплитуды донного сигнала и эхо-сигналов от дефектов), появляется возможность использования дополнительных параметров: скорость

(8)

распространения волны; ослабление импульсов многократных отражений; коэффициенты отражения от дефектов на любых отражениях, эффективность ЭМА преобразования.

С целью оценки контролепригодности прутков из различных конструкционных сталей для волноводного контроля ЭМА методом многократных отражений экспериментально оценены абсолютные значения амплитуд принятых сигналов и коэффициенты двойного преобразования К2. Экспериментальные исследования проведены на установке, блок-схема которой представлена на рисунке 1, в двух вариантах реализации (ЭМА излучение, пьезоприем и совмещенный ЭМА излучение, ЭМА прием). Значения амплитуд принятых сигналов и и коэффициентов К2 для некоторых из исследованных конструкционных сталей представлены в таблице 1.

Условно все исследованные образцы конструкционных сталей можно разделить на 3 группы в соответствии со степенью контролепригодности.

1. С амплитудой сигналов и до 5 мВ. Указанные стали не подлежат контролю ЭМА-ЭМА методом, так как отношение сигнал/шум составляет не более 5.

2. С амплитудой сигналов' и от 5 мВ до 50 мВ, Такие стали можно считать условно контролепригодными при тщательной оптимизации всех параметров контроля. Отношение сигнал/шум — до 50.

3. С амплитудой сигналов и свыше 50 мВ - контролепригодные стали. Возможно достижение чувствительности, сопоставимой с использованием варианта ЭМА-ПЭП.

Таблица 1 - Амплитудные характеристики принятых сигналов

Марка стали ^эма-эма, мВ %МА-пьезо, мВ К2 (ЭМА-ЭМА) К2 (ЭМА-пьезо)

А35Г2 0,7 150 3,5-10"6 7,5-10"4

15Х2ГМФ 1,4 680 7,0-10"6 3,4-10"3

АС 14 2,7 200 1,4-10"5 1,0-10"3

38ХМА 2,7 410 1,4-10"5 2,0-10"3

20 4,0 380 2,0-10"5 1,9-10"3

А12 6,0 320 3,0-10"5 1,6-10"3

35 8,0 200 4,0-10'5 1,0-10"3

20895 8,0 250 4,0-10"5 1,2-10"3

Р6М5К5 20 300 1,0-10"4 1,5-10"3

12X18H10T 53 200 2,6-10"4 1,0-10"3

20X13 56 800 2,8-10"4 4,0-10"3

Н29К18 58 1500 2,9-10"4 7,5-10"3

ОЗХ17Н5ДЗБ 150 600 7,5-10"4 3,0-10"3

Экспериментально определены скорость С0 и затухание <5 стержневых волн в исследуемых марках сталях в соответствии с формулами:

(9)

где t„ - время между зондирующим импульсом и п-м импульсом, переотраженным от торца прутка, Ь - длина прутка.

б^Ш, (10)

~2.nL.

где и1(п) - амплитуды 7-го (»-го) отраженного импульса.

Возможность реализации метода многократных отражений позволяет существенно повысить точность измерения скорости и затухания стержневой волны. Исследовано влияние частоты дискретизации при измерении временных интервалов /л и погрешности измерения длины объекта ДЬ на инструментальную погрешность измерения скорости. Показано, что при и=15 измерение скорости можно осуществить с погрешностью, не превышающей 0,05 %. Выбор номера отражения и=15 обусловлен также минимизацией влияния на форму отраженных импульсов высокочастотных составляющих в спектре импульса по мере увеличения количества отражений.

Определение еще одного информативного параметра - коэффициента затухания УЗ волн всегда сопряжено с рядом мешающих факторов, влияющих на абсолютную амплитуду сигнала (в частности, качеством акустического контакта), что не позволяет обеспечить высокую точность измерения затухания. Использование бесконтактного ЭМА-ЭМА варианта реализации метода многократных отражений позволяет отстроиться от качества акустического контакта, а следовательно обеспечить более высокую точность измерения затухания. Показано, что при измерении затухания следует выбирать участок, удаленный от зондирующего импульса, для исключения влияния нелинейно-стей.

Полученные значения скорости и затухания стержневых волн представлены в таблице 2. Существенное отличие значений скоростей в различных марках сталей позволяет использовать этот параметр в структуроскопии при сортировке прутков по маркам стали. Кроме того, на значение скорости может влиять значительное изменение геометрии сечения объекта и наличие в нем протяженных дефектов, что делает значимым информативный параметр скорости при дефектоскопии.

Таблица 2 - Результаты измерения значения скорости моды 5р и коэффициента затухания

Марка стали Длина, мм Диаметр, мм 5±0,001 1/м Ссо ±3 м/с

Р6М5К5 2026 4,15 0,019 4973

Н29К18 2920 17 0,005 5068

ОЗХ17Н5ДЗБ 2462 22 0,005 5128

12Х18Н10Т 1980 4,43 0,017 5131

А12 1972 5,52 0,009 5157

35 1735 4,98 0,007 5168

20895 1910 4,96 0,008 5221

20X13 2250 17 0,006 5605

Результаты измерений коэффициента затухания свидетельствуют о небольшом различии значения <5 для разных прутков в пределах исследуемых диаметров. Следует отметить высокую чувствительность параметра <5 к наличию дефектов в прутке. Так наличие модельного отражателя с коэффициентом отражения Н=1 %, уменьшает коэффициента затухания на 34 %, Наличие в теле прутке распределенных дефектов уменьшает коэффициент затухания более существенно.

В четвертой главе представлены методические подходы к проектированию элементов генератора зондирующих импульсов и ЭМА преобразователей стержневых волн с целью защиты от зондирующего импульса и минимизации мертвой зоны. Основная проблема, возникающая при реализации бесконтактного ЭМА варианта излучения-приема акустических волн - высокая степень влияния зондирующего импульса на приемный ЭМА преобразователь, влияние которого на дефектограмму показано на рисунке 5 (пруток 04,5 мм, ¿=2 м, сталь Р6М5).

а б

Рисунок 5 - Влияние зондирующего импульса на сигнал приемного преобразователя на первых отражениях (а); на серию многократно переотраженных импульсов (б)

Рисунок 6 - Блок схема генератора зондирующих импульсов с двухполярным возбуждением

Для минимизации этого явления предложен способ возбуждения ЭМА преобразователя с помощью двухполярного зондирующего импульса, блок-схема которого представлена на рисунке 6. Снижение амплитуды наводки дос-

тигается за счет того, что после воздействия первого полупериода вторая полуволна возвращает тракт в изначальное ненасыщенное состояние.

Результат применения двухполярной схемы зондирования показан на рисунке 7. Следствием использования предложенного способа возбуждения двух-полярным зондирующим импульсом является уменьшение остаточной намагниченности торца прутка в 5 раз (с 0,05 до 0,01 Тл).

Тше 106.0иБ' «виз |

11

III

Рисунок 7 - Дефектограмма прутка при использовании двухполярного генератора: первое отражение (а), серия многократных отражений (б)

Определение формы импульса Он файла)

Разложение импульса в сиекгр (БПФ)

'Задание формы АЧХФПЧиФВЧ

Псрсмножспнс епаара имиульеа и ЛЧХ фплыров

ОЫ1Ф

результирующих спектров

Вывод формы Вывод формы

импульса па импульса на

выходе Ф114 выходе ФВЧ

Иывод (|юрмы импульса па выходе Ф114 + ФПЧ

а б

Рисунок 8 — Блок-схема алгоритма оптимизации приемного тракта (а); сравнение исходного и оптимизированного отраженных сигналов (б)

Другой отличительной особенностью ЭМА приема являются малая эффективность преобразования и большая восприимчивость к внешним электромагнитным воздействиям, что приводит к снижению отношения сигнал-шум в принятом сигнале. Вследствие этого, большое значение при разработке методик и аппаратуры ЭМА контроля приобретает оптимизация приемного электрического тракта дефектоскопа с позиций минимизации искажений формы принятого импульса при максимально возможном соотношении сигнал-шум, что требу-

ет точной настройки крутизны амплитудно-частотной характеристики и граничных частот высокочастотных и низкочастотных фильтров, входящих в состав усилительного тракта.

Оптимизированы методы расчета приемно-усилительного тракта при реализации полностью бесконтактной методики контроля пруткового проката с позиций достижения максимальной чувствительности метода, минимизации искажений принимаемых импульсов, высокого отношения сигнал-шум. Разработанный программный алгоритм оптимизации приемного тракта, представленный на рисунке 8,а, позволяет моделировать воздействие электрических фильтров различных типов на принятый электрический сигнал. Применение оптимизированных по характеристикам фильтров позволило значительно улучшить параметры принятого сигнала, в частности, повысить отношение сигнал/шум с 20 до 170, отношение полезного сигнала к амплитуде мешающей высокочастотной изгибной моды - с 4 до 15 (рисунок 8,6).

В пятой главе рассмотрены некоторые применения волноводного метода, реализованные с участием автора в ряде приборов и экспериментальных установок. Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке методик контроля насосно-компрессорных труб, прутков и насосных штанг, реализованных в дефектоскопах АДП, АДНШ, АДНКТ (изготовитель ООО «НПИЦ «Качество») (акт о внедрении ООО «НПИЦ «Качество» в приложении). Разработана исследовательская установка, реализующая высокочастотный волноводный ЭМА метод с использованием стержневой волны, для акустической тензометрии стальных проволок. Разработана установка, реализующая метод автоциркуляции для повышения точности измерения скорости УЗ волн.

На основе волноводного эффекта разработан ЭМА приемник сигналов акустической эмиссии с волноводом, отличающийся локальностью приема (0,3 мм в диаметре), малой неравномерностью АЧХ, чувствительностью, сравнимой с пьезопреобразователем. Разработанные установки используются в научной работе магистрантов, аспирантов, а также в лабораторном практикуме студентов направления 200100 «Приборостроение» (акт о внедрении ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» прилагается).

Заключение

1. Разработана математическая модель, описывающая закономерности распространения импульсов стержневых и крутильных волн в линейно-протяженных объектах, в условиях многократных отражений, учитывающая параметры аппаратуры, геометрию и упругие свойства объекта контроля, затухание волны, взаимодействие с дефектами. Результаты моделирования позволили оценить чувствительность волноводного метода в зависимости от количества отражений, геометрических параметров объекта и модельного отражателя, рабочей частоты аппаратуры.

2. Обоснованы новые информативные характеристики волноводного ЭМА метода на многократных отражениях - коэффициенты отражения от дефектов на любых отражениях, затухание импульсов многократных отражений, скорость распространения волны, эффективность ЭМА преобразования, предло-

жена методика их оценки. Экспериментально определены коэффициенты двойного ЭМА преобразования в прутках из конструкционных сталей (13 марок), позволившие оценить степень их контролепригодности (неконтролепригодные - с амплитудой сигнала менее 5 мВ, контролепригодные - свыше 50 мВ). Диапазон измеренных скоростей стержневой волны составил (4973-5605) ± 3 м/с, коэффициента затухания - (0,005-0,019) ± 0,001 1/м.

3. Разработаны методики проектирования элементов генератора зондирующих импульсов и приемно-усилительного тракта для реализации бесконтактного ЭМА контроля с целью достижения максимальной чувствительности метода, минимизации искажений принимаемых импульсов, минимизации мертвой зоны (до величины 500 мм), уменьшения остаточной намагниченности торца прутка (более чем в 5 раз).

4. Разработанная методика волноводного ЭМА контроля прутков в условиях многократных отражений обладает следующими преимуществами: существенное (до 10 раз) повышение чувствительности к дефектам при анализе сигнала на дальних отражениях на фоне шумов и акустических сигналов, обусловленных волнами нежелательного типа; повышение информативности контроля за счет использования дополнительных информативных характеристик; высокая точность определения скорости и затухания при анализе дальних отражений; улучшение разрешающей способности и уменьшение мертвой зоны за счет получения более низкодобротных сигналов; возможность реализации контроля при одностороннем доступе к торцу прутка; возможность автоматизации контроля за счет использования проходных ЭМА преобразователей.

5. Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований, разработанные подходы к построению элементов аппаратуры использованы при разработке акустических дефектоскопов прутков (АДП), насосных штанг (АДНШ), насосно-компрессорных труб (АДНКТ) (акт о внедрении ООО «НПИЦ «Качество»), Результаты исследований внедрены в учебный процесс подготовки бакалавров по направлению 200100 «Приборостроение» (акт о внедрении ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова»),

Публикации автора в изданиях, рекомендованных ВАК России

1 Муравьева, О.В. Акустический тракт метода многократных отражений при дефектоскопии линейно-протяженных объектов / О.В. Муравьева, Д.В. Злобин // Дефектоскопия, 2013. -№ 1. - С. 43-51.

2. Злобин, Д.В. Особенности построения аппаратуры электромагнитно-акустической дефектоскопии пруткового проката с использованием стержневых волн / Д.В. Злобин, О.В. Муравьева // Вестник Ижевского государственного технического университета. —2012. -№ 4. — С. 99-104.

3. Буденков, Г.А. Акустическая дефектоскопия прутков с использованием многократных отражений / Г.А. Буденков, Б.А. Буденков, О.В. Муравьева, Д.В. Злобин, Т.Н. Лебедева // Дефектоскопия. - 2004. - №8.- С. 52-58.

4. Буденков, Г.А. Оценка возможностей метода акустической эмиссии при контроле магистральных трубопроводов / Г.А. Буденков, О.В. Муравьева, Д.В. Злобин, В.Н. Сергеев // Дефектоскопия. - 2000. -№ 2. - С. 29-36.

5. Буденков, Г.А. Эффективность использования стержневых и крутильных волн для контроля пруткового проката / Г.А. Буденков, О.В. Муравьева, Д.В. Злобин, Т.Н. Лебедева // Дефектоскопия. - 2004. - №3.- С. 3-9.

6. Буденков, Г.А. Взаимодействие крутильных волн с продольными трещинами труб / Г.А. Буденков, О.В. Муравьева, С.А. Мурашов, Д.В. Злобин // Дефектоскопия,- 2006.- №6. - С. 58-66.

7. Муравьев, В.В. Исследование акустоупругих характеристик стержневой волны в термически обработанных стальных проволоках электромагнитно-акустическим методом / В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, А.В. Платунов, Д.В. Злобин // Дефектоскопия,- 2012.- № 8,- С.3-15.

8. Злобин, Д.В. Методика и устройство для измерения амплитудно-частотных характеристик датчиков электронной аускультации / Д.В. Злобин, Д.С. Кулешова, О.В. Муравьева //Вестник Ижевского государственного технического университета. - 2012. - № 4. - С. 110-115.

Публикации автора в других изданиях

9. Budenkov, G. New Technology and Equipment of Acoustic Testing of Extended Objects / G. Budenkov, O. Muraviova, V. Strizhak, A. Pijahin, D. ZIobin, G. Poljan-kin // Proceedings BB 103-CD. 9-th European Conference on NDT. - Berlin, September 25-29, 2006, Abstracts, Part 2, Poster 217.

10. Budenkov, G. Propagation peculiarities research of torsion waves in tubes with longitudinal cracks / G. Budenkov, O. Muraviova, S. Murashov, D. ZIobin // Proceedings of 35 International Conference and NDT Exposition "Defectoscopy 2005" (November 7-11, 2005, Znojmo, Czech Republic). - Brno: University of Technology. — P.41-48.

11. Budenkov, G. О New technology and equipment of acoustic testing of extended objects / G. Budenkov, O. Muraviova V. Strizhak, A. Prjahin, D. ZIobin, G. Poljan-kin // Proceedings of 35 International Conference and NDT Exposition "Defectoscopy 2005" (November 7-11, 2005, Znojmo, Czech Republic). - Brno: University of Technology. - P .49-56.

12. Буденков, Г.А. Новая технология и аппаратура акустического контроля насосных штанг и насосно-компрессорных труб / Г.А. Буденков, О.В. Муравьева, В.А. Стрижак, Г.А. Полянкин, А.В. Пряхин, Д.В. Злобин // Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении: Материалы III международной научно-технической конференции. — Тюмень: Изд-во Феликс, 2005. - С.258-260.

13. Буденков, Г.А. Новый метод акустического контроля насосных штанг / Г.А. Буденков, Б.А. Буденков, А.В. Пряхин, Д.В. Злобин и др. // Тез. докл. 3-й меж-дунар. конф. «Диагностика трубопроводов», г. Москва, 2001. — С. 180.

14. Буденков, Г.А. Электромагнито-акустические преобразователи с использованием волноводов / Г.А. Буденков, О.В. Муравьева, Г.А. Полянкин, Д.В. Злобин, К.Е. Дурнев // Тез. докл. 3-й междунар. конф. «Диагностика трубопроводов», г. Москва, 2001. - С. 226.

15. Буденков, Г.А. Распространение крутильных волн в насосно-компрессорных трубах с продольными трещинами / Г.А. Буденков, О.В. Муравьева, С.А. Мурашов, Д.В. Злобин // Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоем-

кие технологии в машиностроении: Материалы III международной научно-технической конференции. — Тюмень: Изд-во Феликс, 2005. - С.260-261.

16. Буденков, Г.А. Специализированные ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушающего контроля и диагностики / Г.А. Буденков, О.В. Муравьева, С.И. Шишкина, Г.А.Полянкин, Д.В. Злобин // Труды межд. науч.-практич. конф. «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения", Тверь: Изд-во Энергоатомиздат 2002. - С.34-39.

17. Булатова, Е.Г. Распространение моды аО в пластине, нагруженной на жидкость / Е.Г. Булатова, О.В. Муравьева, B.C. Сергеев, Д.В. Злобин // Тез. докл. XXXI науч.-техн. конф. ИжГТУ. - 4.II. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 1998. - С.69.

18. Буденков, Г.А. Влияние дисперсии скорости на процесс распространения волн Лэмба в трубопроводах / Г.А. Буденков, О.В. Муравьева, В.Н.Сергеев, Д.В. Злобин // Тез. докл. XXXII науч.-техн. конф. ИжГТУ. - В 2-х ч. - 4.1. -Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2000,- С.109-110.

19. Буденков, Г.А. Моделирование процессов излучения акустических волн горизонтальной поляризации трещинами, развивающимися в трубопроводах / Г.А. Буденков, О.В. Муравьева, В.Н. Сергеев, Д.В. Злобин // Тезисы XXXII науч.-техн. конф. ИжГТУ. - В 2-х ч. - 4.1. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2000. - С 112-113.

20. Буденков, Г.А. Взаимодействие крутильных волн с продольными трещинами прутков и труб / Г.А. Буденков, О.В. Муравьева, Д.В. Злобин, С.А. Мурашов // Труды научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, 13-14 апреля 2004 г.). - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2005. - С.353-358.

21. Буденков, Г.А. Взаимодействие крутильных волн с дефектами насосно-компрессорных труб, обусловленными протирами и разностенностью / Г.А. Буденков, О.В. Муравьева, Д.В. Злобин, С.А. Мурашов // Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» / Труды Ш-ей науч.-техн. Конф. (Ижевск, 14-15 апреля 2006 г.).- Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2007. - С.81-89.

22. Злобин, Д.В. Устройство исследования АЧХ низкочастотных акустических датчиков / Д.В. Злобин, Д.С. Кулешова, М.Ю. Соков, С.Х. Каюмова // «Приборостроение в 21-м веке. Интеграция науки, образования и производства» / 7-я всероссийская конференция. 15-17 ноября 2011- Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2012,- С.155-160.

23. Муравьев, В.В. Аппаратурное обеспечение для выполнения измерений в тонких проволоках / В.В.Муравьев, Д.В. Злобин, C.B. Ивакин, A.B. Байтеряков, Г.А. Сивак // «Приборостроение в 21-м веке. Интеграция науки, образования и производства» / 7-я всероссийская конференция. 15-17 ноября 2011,- Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2012. - С. 176-180.

24. Злобин, Д.В. Установка для контроля длинномерных объектов электромаг-нито-акустическим методом / Д.В. Злобин, Г.Н. Жулдыбина // Измерения, контроль и диагностика - 2012: сб. материалов II Всероссийской науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, с междунар. участием, посвященной 60-летию Ижевского государственного технического университета имени М.Т. Калашникова (Ижевск, 14-16 мая 2012 года). - Ижевск: Изд-во «A4», 2012. — С. 55-58.

р

25. Злобин, Д.В. Установка для измерения АЧХ акустических датчиков / Д.В. Злобин, С.Х. Каюмова, М.Ю. Соков, Д.С. Кулешова // Измерения, контроль и диагностика - 2012: сб. материалов II Всероссийской науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, с междунар. участием, посвященной 60-летию Ижевского государственного технического университета имени М.Т. Калашникова (Ижевск, 14-16 мая 2012 года). - Ижевск: Изд-во «А4», 2012. - С. 80-83.

26. Злобин, Д.В. Исследование основных характеристик датчиков электронной аускультации / Д.В. Злобин, Д.С. Кулешова, М.Ю. Соков, И.В. Волков // Приборостроение в XXI веке - 2012. Интеграция науки, образования и производства: материалы VIII Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием, посвященной 60-летию Ижевского государственного технического университета имени М.Т. Калашникова. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2013 - С. 68-74.

Подписано в печать 2013 г. Печать офсетная усл. печ. л. 1,2 Тираж 100 экз. Напечатано в ИМ УрО РАН 426067, г. Ижевск, ул. Т.Барамзиной, 34

ФГБОУ ВПО «ИЖЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.Т. КАЛАШНИКОВА»

На правах рукописи

ЗЛОБИН ДЕНИС ВЛАДИМИРОВИЧ

04201451240

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И АППАРАТУРЫ ВОЛНОВОДНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ЛИНЕЙНО-ПРОТЯЖЕННЫХ ОБЪЕКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОГОКРАТНЫХ ОТРАЖЕНИЙ

Специальность 05.11.13 Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и

изделий

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Д.т.н., проф. О.В. Муравьева

Ижевск, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Основные обозначения и сокращения, используемые в диссертации.......................4

Общая характеристика работы.......................................................................................5

Глава 1 Методы и средства неразрушающего контроля линейно-протяженных объектов..........................................................................................................................13

1.1 Технология производства линейно-протяженных объектов...........................13

1.2 Дефекты пруткового проката..............................................................................15

1.3 Виды неразрушающего контроля линейно-протяженных объектов...............19

1.3.1 Магнитный вид...............................................................................................19

1.3.2 Вихретоковый вид..........................................................................................21

1.3.3 Ультразвуковой вид.......................................................................................23

1.3.4 Использование электромагнитно-акустических технологий....................31

1.3.5 Волноводный акустический контроль линейно-протяженных объектов....................................................................................................................39

Выводы по главе 1......................................................................................................48

Глава 2. Акустический тракт волноводного электромагнитно-акустического

метода многократных отражений................................................................................50

2.1 Моделирование распространения волн в прутках в условиях ) многократных отражений...................................................................................50

2.2 Анализ акустического тракта в случае электромагнитно-акустического

и пьезоприема......................................................................................................57

2.3 Чувствительность стержневых и крутильных волн для контроля пруткового проката.............................................................................................63

Выводы по главе 2.........................................................................................................71

Глава 3. Обоснование информативных параметров волноводного

электромагнитно-акустического метода в условиях многократных отражений.... 73

3.1 Амплитудные параметры.....................................................................................73

3.2 Скорость распространения моды Эо в прутках..................................................76

3.3 Погрешности при измерении скорости моды Бо...............................................81

3.4 Коэффициент затухания моды 80 в прутках......................................................84

3.5 Влияние наличия дефектов в прутке на коэффициент затухания...................87

Выводы по главе 3.........................................................................................................89

Глава 4. Аппаратное обеспечение контроля линейно-протяженных объектов......90

4.1 Генератор зондирующих импульсов с двухполярным возбуждением...........90

4.2 Оптимизация АЧХ приемно-усилительного тракта.........................................98

Выводы по главе 4.......................................................................................................102

Глава 5. Возможности применения волноводного метода контроля.....................103

5.1 Акустические дефектоскопы прутков и насосных штанг..............................103

5.2 Установка для контроля и исследования акустоупругих и электромагнитно-акустических характеристик термически обработанных стальных проволок...................................................................114

5.3 Электромагнитно-акустический преобразователь с использованием волновода............................................................................................................121

5.4 Установка для реализации метода автоциркуляции импульсов...................125

Выводы по главе 5.......................................................................................................130

Заключение...................................................................................................................131

Список литературы......................................................................................................133

ПРИЛОЖЕНИЕ А АКТ О ВНЕДРЕНИИ ООО «НПИЦ «КАЧЕСТВО»..............152

ПРИЛОЖЕНИЕ Б АКТ О ВНЕДРЕНИИ ФГБОУ ИЖГТУ...................................153

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В

ДИССЕРТА1

11515

АДНКТ - акустический дефектоскоп насосно-компрессорных труб;

АДНТ1Т - акустический дефектоскоп насосных штанг;

АДП - акустический дефектоскоп прутков;

АЦП — аналогово-цифровой преобразователь;

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика;

НКТ — насосно-компрессорная труба;

НШ — насосная штанга;

УЗ - ультразвуковой;

ФВЧ - фильтр верхних частот;

ФНЧ - фильтр нижних частот;

ЭМА - электромагнитно-акустический;

Я"* ? «

" 4

»Я

. ji i )»( > I < j I J I « , fi > «.„»>«

5 > * ' » - -r-cÏT,/

•V i

' ' -A* I

s < » аЦ

tpJ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ , Ofj

Стальной прутковый прокат и разнообразные изделия из него (инструмент, пружины, насосные штанги, валы центробежных насосов, тросы, арматура и ( прочее) нашли широкое применение в различных отраслях промышленности (металлургия, машиностроение, транспорт, нефтяная и газовая промышленность). Гарантией безаварийной работы указанных изделий является выявление недопустимых дефектов на стадии прутка заготовки. Важной особенностью таких объектов является трудность реализации применительно к ним стандартных методик неразрушающего контроля (НК). Традиционно для контроля подобных объектов используют вихретоковый, магнитный и ультразвуковой (УЗ) методы

г *

контроля, имеющие общий недостаток — необходимость сканирования объекта, что отрицательно сказывается на производительности установок. Вихретоковый и магнитный виды НК, несмотря на преимущество бесконтактной работы, не позволяют выявлять внутренние дефекты и характеризуются неоднозначностью -js интерпретации результатов контроля. Контактные УЗ методы требуют высокого качества обработки поверхности объекта и применения контактных сред, что зачастую трудновыполнимо, особенно для горячекатаного проката, и проката малых диаметров. В связи с этим все больший интерес у отечественных и зарубежных разработчиков вызывают методики, основанные на использовании нормальных волн (Лэмба и Похгаммера), распространение которых возможно только в протяженных объектах. Среди их преимуществ — , отсутствие необходимости сканирования, как следствие, возможность контроля при локальном доступе к объекту, высокая производительность контроля, возможность выявления дефектов различного типа.

Как правило, при реализации волноводных методик контроля используют классический эхо-метод, как наиболее чувствительный к дефектам. Известно, что комбинированный эхо-сквозной метод объединяет преимущества амплитудного теневого и эхо-метода, однако его чувствительность ограничена количеством сквозных прозвучивании в связи с потерями, обусловленными затуханием Щ ультразвука в материале, расхождением ультразвукового пучка, потерями при

л'S ï%>

Щ

ii

*f ! К'

S,t

, "У

•»I

^ ? /

i Щ1

i

«Kl i

uJé',f

'.Al

» 'Д

' W

-Vf

V? v t

с» :

4

& и % *-*»

.M

itX

h î

отражении на границе объект контроля - контактная жидкость — преобразователь, отражательной способностью дефекта. При реализации волноводного контроля прутков с использованием стержневой (крутильной) волны ввиду отсутствия потерь на расхождение и несущественного затухания в области низких частот, возможно наблюдение серии многократных отражений зондирующего импульса от дефектов и свободных торцов прутка в достаточно протяженных объектах. Дополнительные преимущества позволяет получить реализация полностью бесконтактной методики волноводного контроля с использованием электромагнитно-акустических (ЭМА) преобразователей. Отсутствие потерь на поглощение энергии преобразователем позволяет еще более увеличить чувствительность метода к дефектам, а также использовать в качестве информативных дополнительные параметры - скорость и затухание УЗ волны.

В связи с этим, весьма актуальным представляется исследование круга вопросов, связанных с научным обоснованием и разработкой методики и аппаратуры волноводного ЭМА контроля стального пруткового проката с использованием эхо-сквозного метода на многократных отражениях.

Работа выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой

f

программы Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» (проект №2.1.2/12069); Программы стратегического развития ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т.Калашникова» на 2012-2016 (проект ПСР/М2/Н2.5/МВВ); государственного задания Министерства образования и науки РФ ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» на 2012 - 2014 годов в части проведения научно-исследовательских работ (проект № 7.1378.2011); гранта Американского акустического общества (ASA, 2000 г.).

Степень разработанности темы. Потенциальные возможности волноводного акустического метода, обуславливают все возрастающий интерес к нему множества научных школ и фирм-разработчиков. Исследования в этой области проводятся в России (СПбГЭТУ «ЛЭТИ», МГТУ им. Баумана, ИжГТУ имени М.Т. Калашникова, ООО «Акустические Контрольные Системы», ЗАО

«НИИИН МНПО «СПЕКТР»), на Украине (Национальный технический институт Украины «КПП», Институт электросварки им. Э.С. Патона), в Респ. Молдова (НИИНК АО «ИНТРОСКОП»), в университетах США, Великобритании, Италии, Респ. Корея и многих других странах.

Преимущественно разрабатываемые системы волноводного акустического контроля ориентированы на контроль крупногабаритных объектов, например, труб нефте- и газопроводов, эхо-методом с использованием волн Лэмба и крутильных волн (система WaveMaker, Guided Ultrasonics, Ltd., Великобритания; система Teletest, MetalCare Inspection Services, Inc., Канада; система Long Range Guided Wave Ultrasonic Inspection System, Dacon Inspection Services Co., Ltd., Тайланд). Для возбуждения и приема г акустических волн используются, как правило, сложные многоэлементные системы фазированных датчиков.

Целью работы является: научное обоснование и разработка методики и аппаратуры волноводного ЭМА контроля стального пруткового проката с

использованием эхо-сквозного метода на многократных отражениях для

i

повышения чувствительности методов и средств волноводного контроля.

Цель соответствуют следующим областям исследования по паспорту специальности 05.1.13:

п.1. «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»;

п.2. «Разработка и оптимизация методов расчета и проектирования элементов, средств, приборов и систем аналитического и неразрушающего контроля с учетом особенностей объектов контроля»;

п.З. «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами».

В соответствии с поставленной целью сформулированы и решены следующие задачи:

1. Разработка математической модели распространения волн в линейно-протяженных объектах (в частности, прутках) в условиях многократных отражений.

2. Экспериментальные исследования процессов распространения стержневых волн в условиях многократных отражений и обоснование информативных параметров волноводного ЭМА метода.

3. Разработка методов проектирования аппаратуры, реализующей ЭМА метод на многократных отражениях.

4. Аппаратная реализация акустических волноводных методик с использованием ЭМА принципов возбуждения и приема акустических волн.

Объект исследований: методика и аппаратура волноводного акустического контроля прутков.

Предмет исследований: модели процессов распространения стержневых волн в прутках и их взаимодействия с дефектами в условиях многократных отражений, информативные параметры и методика волноводного акустического контроля, расчет и проектирование элементов аппаратуры при реализации ЭМА метода возбуждения и приема акустических волн.

Методология и методы исследования: при разработке моделей процессов распространения стержневых волн и их взаимодействия с дефектами использован аппарат теории упругости, теории акустики твердого тела. При экспериментальных исследованиях использовался ЭМА метод на многократных отражениях, реализованный с использованием двухполярного возбуждения, методы статистической обработки экспериментальных данных.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждены корректным использованием методов теории упругости, акустики твердого тела, сопоставлением теоретических и экспериментальных результатов, оценкой погрешности измерений, воспроизводимостью экспериментальных результатов, использованием в работе поверенных средств измерений.

Научная новизна:

1.Разработана модель акустического тракта волноводного метода при контроле линейно - протяженных объектов (в частности, пруткового проката) в условиях многократных отражений, основанная на закономерностях распространения стержневой волны в прутке и ее взаимодействия с модельным отражателем, учитывающая параметры аппаратуры (способ возбуждения и приема, рабочая частота), геометрические параметры и упругие свойства объекта контроля.

2. Оценена чувствительность волноводного метода контроля в условиях многократных отражений в зависимости от количества регистрируемых отражений, геометрических параметров объекта и модельного отражателя, рабочей частоты аппаратуры с использованием стержневых и крутильных волн, позволившая оптимизировать основные параметры аппаратуры.

3. Обоснованы новые информативные характеристики (коэффициенты отражения от дефектов на любых отражениях, ослабление импульсов многократных отражений, скорость распространения волны, эффективность ЭМА преобразования) и предложена методика их оценки с минимальной погрешностью для реализации возможностей дефектоскопии и структуроскопии волноводным методом.

4. Разработаны методы проектирования элементов генератора зондирующих импульсов и ЭМА преобразователей стержневых волн, оптимизированы методы расчета приемно-усилительного тракта при реализации полностью бесконтактной методики контроля пруткового проката с позиций достижения максимальной чувствительности метода, минимизации искажений принимаемых импульсов, минимизации мертвой зоны, защиты от зондирующего импульса и внешних помех, высокого отношения сигнал-шум, уменьшения остаточной намагниченности торца прутка.

Теоретическая и практическая значимость.

Математическая модель акустического тракта волноводного метода на многократных отражениях может служить основой при разработке методик и

средств волноводного контроля при различных параметрах объекта и аппаратуры контроля.

Методика волноводного ЭМА контроля линейно-протяженных объектов (в частности, прутков) в условиях многократных отражений обладает следующими преимуществами: существенное повышение чувствительности к дефектам при анализе сигнала на дальних отражениях на фоне электрических шумов и акустических сигналов, обусловленных волнами нежелательного типа; повышение информативности контроля за счет использования дополнительных информативных характеристик; улучшение разрешающей способности и уменьшение мертвой зоны за счет получения более низкодобротных сигналов; возможность реализации контроля при одностороннем доступе к торцу прутка; возможность автоматизации контроля за счет использования проходных ЭМА преобразователей.

Данные об эффективности ЭМА преобразования, скорости и затухания стержневых волн позволили оценить степень контролепригодности прутков из конструкционных сталей при контроле волноводным ЭМА методом на многократных отражениях.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, методики проектирования элементов аппаратуры ЭМА контроля использованы при разработке акустических дефектоскопов прутков (АДП), насосных штанг (АДНШ), насосно-компрессорных труб (АДНКТ) (изготовитель ООО «НПИЦ «Качество», акт о внедрении прилагается).

Результаты исследований внедрены в учебный процесс подготовки бакалавров по направлению 200100 «Приборостроение» (акт о внедрении ФГЪОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова»).

Положения, выносимые на защиту.

1. Разработанная математическая модель акустического тракта волноводного метода на многократных отражениях при контроле пруткового проката, учитывающая затухание стержневой волны, ее взаимодействие с

дефектами, способ возбуждения и приема, геометрические параметры объекта контроля и модельного отражателя, упругие свойства объекта, рабочую частоту.

2. Выявленные зависимости чувствительности метода на многократных отражениях от количества регистрируемых отражений при контроле прутков различной длины на различной рабочей частоте с использованием стержневых и крутильных волн.

3. Научно-обоснованные информативные характеристики волноводного �