Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Методы контроля и диагностика в машиностроении

Диссертационная работа:

Ушаков Валентин Михайлович. Развитие методов и разработка средств и способов ультразвукового контроля изделий с криволинейной поверхностью : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.02.11 : М., 2004 201 c. РГБ ОД, 71:05-5/561

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 4

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 7

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 9

1.1 Проблемы ультразвукового контроля изделий с криволинейной поверхностью и их сварных соединений 9

1.2 Обзор и анализ работ по исследованию акустического тракта дефектоскопа при УЗК изделий с криволинейной поверхностью 20

1.3 Формулировка задач исследования 26

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ НАКЛОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В ИЗДЕЛИЯХ С КРИВОЛИНЕЙНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ 27

2.1 Выбор метода расчета акустического поля преобразователя со сферической границей «призма-изделие» 27

2.2 Диаграмма направленности в плоскости падения акустической оси наклонного преобразователя со сферической контактной поверхностью 30

2.3 Особенности формирования диаграммы направленности в азимутальной плоскости наклонного преобразователя со сферической контактной поверхностью 38

2.4 Диаграмма направленности при отклонении акустической оси от диаметральной плоскости - сферы 38

2.5 Оценка влияния цилиндрической поверхности изделия на акустическое поле наклонного преобразователя 42

3 ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКОГО ТРАКТА УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДЕФЕКТОСКОПА ПРИ КОНТРОЛЕ ИЗДЕЛИЙ СО СФЕРИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ 57

3.1 Расчет амплитуды эхо-сигнала при отражении от искусственных отражателей и донной поверхности 57

3.2 Теоретическое исследование коэффициента прозрачности по энергии криволинейной границы оргстекло-сталь 60

3.3 Экспериментальная проверка формул акустического тракта 66

3.4 Факторы, определяющие коэффициент отражения поперечных волн 69

3.5 Исследование коэффициента поляризации поперечных волн при их отражении от свободной поверхности и поверхности плоских отражателей 74

3.6 Исследование коэффициента трансформации поперечных волн в продольные в зависимости от ориентации вектора поляризации относительно отражающей поверхности 81

3.7 Зависимость амплитуды трансформированных продольных волн при падении SV-волн на плоскость (свободную границу полупространства) и несплошности 85

3.8 Экспериментальное исследование трансформации поперечных волн в продольные на реальных дефектах 88

4 АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ФОРМУЛ АКУСТИЧЕСКОГО ТРАКТА И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВ УЗ КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ С КРИВОЛИНЕЙНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ 106

4.1 Оценка и сравнительный анализ формул акустического тракта при контроле изделий с плоской и криволинейной поверхностью 106

4.2 Сравнение формул акустического тракта дефектоскопа при контроле изделий с плоской и сферической поверхностью 109

4.3 Разработка технологии и пьезопреобразователей эхо-метода контроля сферических корпусов задвижек для атомных и тепловых электростанций 111

4.4 Оптимизация параметров наклонных преобразователей с переходными согласующими слоями на основе компьютерного эксперимента 118

4.5 Принципы разработки наклонных ПЭП для контроля изделий со сферической поверхностью 134

4.6 Исследование наклонных преобразователей с переменным демпфированием для УЗК сварных соединений тонкостенных цилиндрических элементов 135

4.7 Исследование наклонных пьезопреобразователей с композиционной пьезопластиной 141

4.8 Стабилизация акустического контакта прямого преобразователя с использованием эластичных подкладок 146

5 ВНЕДРЕНИЕ В ПРОИЗВОДСТВО ТЕХНОЛОГИЙ И ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ С КРИВОЛИНЕЙНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 152

5.1 Разработка методов и технологии ультразвукового контроля сварных швов сферических корпусов арматуры 152

5.2 Внедрение наклонных преобразователей для дефектоскопии аустенитных сварных соединений трубных элементов 157

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 164

4 ПРИЛОЖЕНИЕ 174 

Введение к работе:

В диссертационной работе изложены научно обоснованные технические и технологические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны. Работа направлена на обеспечение качества, надежности и безопасности технических объектов за счет применения ультразвукового (УЗ) неразрушающего контроля (НК), способствует повышению конкурентоспособности продукции, что весьма важно в условиях рыночной экономики. Диссертационная работа обобщает результаты исследований ультразвукового НК, выполненных в ЦНИИТМАШ автором с 1974 по 2004 годы. Результаты получены в процессе выполнения научно-исследовательских работ, проводившихся на основе Решений правительства и правительственных Комиссий, указаний ГКНТ, Миннауки РФ, и в рамках самофинансируемых инициативных НИОКР.

Актуальность работы. Повышение эффективности УЗК изделий ответственного назначения с криволинейной поверхностью является стратегически важной проблемой в рамках всей промышленности России по следующим причинам. Конечной целью НК является правильная оценка технического состояния изделий. На результаты оценки влияют многие факторы: конструктивные особенности изделия (в т.ч. криволинейная поверхность), выбор норм оценки обнаруженных дефектов, результаты расчетов на прочность (опять же на основе данных НК), уровень развития аппаратурных решений, квалификация опера-торов-дефектоскопистов и др. Криволинейная поверхность объекта контроля (ОК) в целом влияет на величину и параметры УЗ сигнала, фиксируемого дефектоскопом. Именно поэтому при НК контактную поверхность пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) сопрягают (механически обрабатывают) или применяют стабилизирующие опоры для того, чтобы акустический контакт с ОК был стабильным. Возникающие при этом эффекты: искажение акустического поля излучения-приема ПЭП, снижение чувствительности и точности измерения координат дефектов, особенности рассеяния УЗ волн на дефектах для частных конкретных случаях исследовали многие ученые: Ермолов И.Н, Голубев А.С., Паврос С.К., Алешин Н.П., Розина М.В., Щербинский В.Г., Белый В.Е., Данилов В.Н., Яблоник Л.М., за рубежом - Г. и Й. Крауткремер, А.Тинг, Д.Берике, С.Себариан и др. Однако многие проблемы УЗ контроля и эффекты, связанные с кривизной поверхности ОК, не были рассмотрены. К таким проблемам следует отнести:

> не исследованы варианты формирования акустических полей поперечных волн при наклонном вводе ультразвука в ОК через выпуклую сферическую и цилиндрическую поверхности;

> отсутствует анализ особенностей формирования акустических полей наклонных ПЭП при УЗК изделий с выпуклой сферической поверхностью с целью получения наименьших искажений: расширение диаграммы направленности (ДН) и смещение максимума излучения, уменьшение чувствительности контроля по сравнению с плоской поверхностью;

.ьлмиїскл

FJXfk

О»

У не показано влияние коэффициента прохождения (прозрачности) поперечных волн на акустический тракт (ослабление эхо-сигнала от дефекта) при близкритических углах (1 и 2-ой критические углы) падения УЗ лучей на сферическую поверхность;

У не рассмотрены эффекты поляризации поперечных волн, влияние которых на результаты УЗК определяет именно кривизна поверхности OK, а именно: отражение и трансформация поперечных волн в продольные на дефектах, в т.ч. на трещиноподобных, эллипсообразных и объемной формы;

У не решены проблемы УЗК сварных соединений ОК с цилиндрической поверхностью с диаметром более 25 мм и малой толщины (2,5-7,5 мм): необходимость снижения уровня поверхностной волны, создающей ложные сигналы, при углах ввода поперечных волн 65-75.

Данная работа посвящена решению указанных проблем УЗК изделий с криволинейной поверхностью. Следует отметить, что изделий с криволинейной поверхностью (сферической и цилиндрической) составляет до 80% от общего количества ОК. Это - водо-и паропроводы, арматура (задвижки, вентили) тепловых и атомных электростанций, нефте-и газопроводы, цилиндрические элементы конструкций грузоподъемных механизмов, горно-шахтных машин и многих других. Поэтому актуальным является развитие методов и разработка средств и способов контроля изделий, параметры которых определяет кривизна внешней поверхности.

Цель и основные задачи исследований. Цель - разработка эффективных методов, средств и способов УЗК потенциально опасных объектов промышленности, имеющих элементы с криволинейной поверхностью.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: ^ исследовать формирование акустических полей контактных наклонных ПЭП в изделиях со сферической и цилиндрической поверхностью; У найти методы снижения поверхностной волны при наклонном вводе поперечных волн (для углов 65-75) вдоль образующей цилиндрической поверхности изделия;

У разработать научные принципы и технологические приемы подавления поверхностной волны, излучаемой наклонными ПЭП с углами ввода 65-75 поперечных волн в изделия с цилиндрической поверхностью;

У исследовать акустический тракт и проанализировать уменьшение амплитуды эхо-сигналов при УЗК изделий со сферической и цилиндрической поверхностью;

У изучить закономерности распространения линейно-поляризованных поперечных волн, обусловленные кривизной поверхности ОК;

У экспериментально исследовать трансформацию SV-волн на трещиноподобных, эллипсообразных отражателях и отражателях округлой формы; У сформулировать научно-обоснованные принципы оптимизации методов и средств УЗК изделий с криволинейной поверхностью;

У разработать способы и ПЭП УЗ контроля изделий со сферической и цилиндрической поверхностью.

Методы исследований. Теоретические исследования проводились с привлечением методов общей и прикладной акустики, методов математического анализа и асимптотических методов оценки интегралов. Экспериментальные исследования проводились с помощью поверенных приборов, экспериментальные данные обрабатывались статистическими методами обработки результатов эксперимента.

Научная новизна

  1. Исследованы с использованием эвристической модели закономерности формирования акустических полей излучения-приема контактных совмещенных наклонных ПЭП в изделиях со сферической поверхностью в плоскости падения акустической оси и в азимутальной плоскости.

  2. Получены количественные данные наименьшего искажения ДН ПЭП сферической поверхностью ОК при эхо-импульсном методе контроля:

параметр кривизны z

при сопряжении призмы к изделию должно соблюдать равенство угла падения центрального луча и угла призмы;

  1. Впервые обнаружены, теоретически и экспериментально подтверждены осциллирующие зависимости изменения эхо-сигналов в ОК для наклонных ПЭП, сопряженных с цилиндрической поверхностью вдоль образующей.

  2. Найдены закономерности изменения коэффициента прохождения (прозрачности) поперечных волн на криволинейной границе раздела «призма наклонного ПЭП - поверхность изделия».

  3. Впервые показано влияние поляризации поперечных волн (соотношение SV-и SH-компонент) при их отражении от дефектов изделий с криволинейной поверхностью на результаты неразрушающего УЗ контроля.

  4. Обнаружен эффект превращения линейно-поляризованных поперечных волн в волны эллиптической поляризации при отражении от свободной (плоской донной) поверхности ОК и плоских отражателей; найдено условие достижения минимального коэффициента поляризации - угол падения и угол отклонения плоскости поляризации от плоскости падения центрального луча равны третьему критическому углу.

  5. Экспериментально установлен эффект существования трансформированных продольных волн при закритических углах падения (больших третьего критического, для стали 33) SV-волн на свободную поверхность и плоскостные отражатели.

  1. Исследованы закономерности формирования полей отражения трансформированных продольных волн при закритических углах падения SV-волн на тре-щино-и эллипсоподобные отражатели (при различных соотношениях осей эллипса).

9. Экспериментально найдены соотношения амплитуд отраженных попе
речных и трансформированных продольных волн на трещино-и эллипсоподоб-
ных отражателях, для трещинноподобных это соотношение достигает 26 дБ,
для эллипсоподобных - 5-9 дБ.

  1. Разработаны для эхо-импульсного и дельта-метода УЗ контроля способы распознавания типов дефектов (плоскостной-объемный) в сварных соединениях ОК со сферической и цилиндрической поверхностью (новые технические решения защищены автор.свид. и патентами на изобретения - всего 18).

  2. Предложен и исследован способ формирования акустического поля наклонного ПЭП с близкритическим углом ввода (второй критический) с помощью переменного демпфирования пьезоэлемента преобразователя.

Практическая ценность работы и ее реализация

  1. Полученные результаты исследований акустического поля наклонных ПЭП развивают и дополняют существующие методы контроля и позволяют выбирать оптимальные параметры методов и ПЭП применительно к ОК со сферической и цилиндрической поверхностью.

  2. Разработаны методические рекомендации выбора оптимальных методов УЗК и параметров наклонных ПЭП (углов ввода, волнового размера пьезоэлемента, длительности эхо-импульса, амплитудно-частотной характеристики и чувствительности) при УЗК изделий со сферической поверхностью.

  3. Предложены способы сопряжения контактной (рабочей) поверхности наклонных ПЭП при контроле изделий со сферической и цилиндрической поверхностью. Эти способы сопряжения уменьшают влияние криволинейной поверхности изделия, т.е. приводят к минимальной потере чувствительности УЗК, повышают точность нахождения дефектов, снижают «мертвую» зону.

  4. Разработаны эхо-импульсный и дельта-метод УЗК с использованием схем прозвучивания сварных соединений ОК с криволинейной поверхностью, когда излучаемые в изделия SV-волны по отношению к плоскостным несплошностям (типа трещин, несплавлений и т.п.) являются волнами SH-поляризации или близкой к SH-поляризации. Результаты работы явились основой для разработки специальных раздельно-совмещенных ПЭП (типа хордовых или классических наклонных раздельно-совмещенных).

  5. Исследованы методы и предложены способы УЗК изделий с криволинейной поверхностью с использованием трансформированных продольных волн на не-сплошностях при их озвучивании SV-волнами, способы наиболее эффективны при контроле изделий с криволинейной поверхностью, но и применимы и для изделий с плоской поверхностью.

  6. Разработана технология УЗК сварных соединений сферических корпусов задвижек для трубопроводов атомных и тепловых электростанций.

  7. На основе компьютерного эксперимента сформулированы принципы оптимизации и получен алгоритм расчета параметров наклонных ПЭП для контроля сварных соединений изделий с криволинейной поверхностью.

  8. Разработаны, исследованы и внедрены наклонные ПЭП с переменным демпфированием пьезоэлементов, имеющих низкий уровень создающей ложные сигналы поверхностной волны при углах ввода, близких ко второму критическому (-70-75)

  9. Разработаны и внедрены наклонные ПЭП с композитными пьезопластинами без их демпфирования. Для ПЭП характерны низкий уровень реверберацион-

ных шумов, малая длительность и одновременно высокая чувствительность по сравнению с традиционными наклонными ПЭП.

Методы, способы и средства УЗК сварных соединений штампосварных сферических корпусов задвижек внедрены на Чеховском заводе энергетического машиностроения, г.Чехов Московской области. Методики и ПЭП с четвертьволновыми согласующими слоями и ПЭП с композитными пластинами для контроля трубных элементов ТЭС, а также методики и ПЭП для контроля ау-стенитных сварных соединений внедрены на ОАО ТКЗ «Красный котельщик», г.Таганрог Ростовской области, ОАО «Белгородский завод энергетического машиностроения», г.Белгород. Указанные ПЭП внедрены в системе РАО ЕЭС России: ОАО «Кузбассэнерго», ОАО «Самараэнерго», ОАО «Мосэнерго», ОАО «Саратовэнерго», ОАО «Дальэнерго» и многих других предприятиях. Объем производства разработанных ПЭП - более 1000 шт. ежегодно, стоимость внедренных ПЭП за 20 лет - более 1 млн долларов США. Способы и средства УЗК защищены авторскими свидетельствами и патентами на изобретения (всего — 18 а.с. и патентов). Основные результаты работы вошли в действующие нормативные документы: Правила и нормы в атомной энергетике - ПНАЭ Г-7-030-91 «Унифицированные методики контроля..., ч.2 Ультразвуковой контроль»; в тепловой энергетике - РД 34.17.302-97 (ОП 501ЦД-97) «Котлы паровые и водогрейные. Сварные соединения. Ультразвуковой контроль. Основные положения»; грузоподъемные машины - РД-РОСЭК-001-96 «Конструкции металлические. Контроль ультразвуковой. Основные положения»; в энергомашиностроении - ОСТ 108.958.03-96 «Поковки стальные для энергетического оборудования. Методика ультразвукового контроля». Основные результаты работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специализации «Неразрушающий контроль и диагностика» в Московском государственном горном университете. Технико-экономический эффект от внедрения разработок заключается в предотвращении потенциальных аварий на опасных производствах, повышении качества и эксплуатационной надежности оборудования.

Защищаемые научные положения и основные результаты работы

  1. Исследованные закономерности формирования акустических полей наклонных ПЭП в ОК со сферической внешней поверхностью.

  2. Полученные зависимости изменения сигналов при эхо-методе УЗК наклонными ПЭП трубных элементов с цилиндрической поверхностью.

  3. Экспериментальные исследования поляризации поперечных волн и обнаруженные эффекты изменения поляризации при отражении этих волн от не-сплошностей в изделиях с криволинейной поверхностью.

  4. Исследованные эффекты отражения и трансформации поперечных волн в продольные на плоскости (свободной границе полупространства) и несплошно-стях при закритических (больше третьего критического) углах падения поперечных волн вертикальной поляризации (SV-волн).

  5. Научно обоснованные принципы разработки ПЭП для УЗК изделий с криволинейной поверхностью: наклонных совмещенных с согласующими слоями, с переменным демпфированием пьезоэлементов, с композитными пьезоэлемен-

тами и ПЭП для УЗК аустенитных сварных соединений цилиндрических элементов.

6. Принципы выбора методов УЗК, результаты разработки способов определения типа дефектов по дельта-методу и оптимизация параметров технологий и средств контроля изделий с криволинейной поверхностью.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международных, Всесоюзных и Российских научных конференциях по НК, семинаре в ФГУП «ЦНИИТМАШ», семинаре, организованном ВНИИ-ОФИ в Госстандарте РФ; работа докладывалась и получила одобрение в МГТУ им. Н.Э.Баумана, научно-исследовательском институте интроскопии МНПО «Спектр», научно-производственном центре «Эхо-плюс» при РНЦ «Курчатовский институт», Основные результаты опубликованы в журналах по НК: «Дефектоскопия», «В мире неразрушающего контроля», «Контроль. Диагностика».

Публикации: 53 научных работ, включая публикации в журналах по нераз-рушающему контролю, тезисы докладов научно-технических конференций, 18 авторских свидетельств и патентов на изобретения.

Объем и структура диссертации. Диссертация включает введение, 5 разделов, заключение, список литературы (131 наименование) и приложение. Объем диссертации составляет 195 страниц, включая 69 рисунков и 12 таблиц.

Подобные работы
Ремизов Андрей Леонидович
Разработка методов и средств ультразвуковой дефектоскопии паяных строительных металлоконструкций толщиной 4 - 20мм
Соколов Игорь Вячеславович
Разработка помехоустойчивых методов и средств многофункциональной ультразвуковой дефектоскопии сложноструктурных изделий
Левин Валерий Алексеевич
Разработка методов активного контроля геометрических параметров абразивных кругов с целью повышения точности и экономичности каландрования
Тихонов Дмитрий Сергеевич
Разработка методов и аппаратуры для ультразвуковой дефектометрии сварных соединений трубопроводов АЭС
Кареев Андрей Евгеньевич
Разработка методов обработки сигналов акустической эмиссии на основе кластерного анализа для повышения надежности контроля машиностроительных конструкций
Круглова Екатерина Владимировна
Разработка и исследование методов радиографического контроля глубины дефектов сварных соединений
Комов Михаил Евгеньевич
Разработка методики и средств определения высоты трещиноподобных дефектов в стыковых сварных швах трубопроводов
Щербаков Андрей Алексеевич
Исследование и унификация методов и средств проверки рабочих характеристик ультразвуковых дефектоскопов в процессе контроля изделий
Чернышев Алексей Всеволодович
Особенности перемагничивания и неразрушающий контроль ферромагнитных изделий с большим коэффициентом размагничивания
Нестеров Александр Михайлович
Автогенераторный метод электромагнитного контроля качества изделий с частотно-фазовой отстройкой от мешающих факторов

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net