Развитие методов и разработка средств и способов ультразвукового контроля изделий с криволинейной поверхностью

• Автор: Ушаков, Валентин Михайлович
• Шифр специальности: 05.02.11
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 201 с. : ил.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

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

1.2 Обзор и анализ работ по исследованию акустического тракта дефектоскопа при УЗК

^ изделий с криволинейной поверхностью

1.3 Формулировка задач исследования

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ НАКЛОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В ИЗДЕЛИЯХ С КРИВОЛИНЕЙНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
2.1 Выбор метода расчета акустического поля преобразователя со сферической границей «призма-изделие»
2.2 Диаграмма направленности в плоскости падения акустической оси наклонного преобразователя со сферической контактной поверхностью
2.3 Особенности формирования диаграммы направленности в азимутальной плоскости наклонного преобразователя со сферической контактной поверхностью
2.4 Диаграмма направленности при отклонении акустической оси от диаметральной плоскости Ф сферы
2.5 Оценка влияния цилиндрической поверхности изделия на акустическое поле наклонного преобразователя
3 ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКОГО ТРАКТА УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДЕФЕКТОСКОПА ПРИ КОНТРОЛЕ ИЗДЕЛИЙ СО СФЕРИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
3.1 Расчет амплитуды эхо-сигнала при отражении от искусственных отражателей и донной
поверхности
3.2 Теоретическое исследование коэффициента прозрачности по энергии криволинейной границы оргстекло-сталь
3.3 Экспериментальная проверка формул акустического тракта
4 3.4 Факторы, определяющие коэффициент отражения поперечных волн

3.5 Исследование коэффициента поляризации поперечных волн при их отражении от свободной поверхности и поверхности плоских отражателей.»
3.6 Исследование коэффициента трансформации поперечных волн в продольные в зависимости от ориентации вектора поляризации относительно отражающей поверхности
3.7 Зависимость амплитуды трансформированных продольных волн при падении вУ-волн на плоскость (свободную границу полупространства) и несплошности
3.8 Экспериментальное исследование трансформации поперечных волн в продольные на реальных дефектах
4 АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ФОРМУЛ АКУСТИЧЕСКОГО ТРАКТА И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВ УЗ КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ С
КРИВОЛИНЕЙНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
4.1 Оценка и сравнительный анализ формул акустического тракта при контроле изделий с плоской и криволинейной поверхностью
4.2 Сравнение формул акустического тракта дефектоскопа при контроле изделий с плоской и
сферической поверхностью
4.3 Разработка технологии и пьезопреобразователей эхо-метода контроля сферических корпусов задвижек для атомных и тепловых электростанций
4.4 Оптимизация параметров наклонных преобразователей с переходными согласующими слоями на основе компьютерного эксперимента
4.5 Принципы разработки наклонных ПЭП для контроля изделий со сферической поверхностью
4.6 Исследование наклонных преобразователей с переменным демпфированием для УЗК сварных соединений тонкостенных цилиндрических элементов
4.7 Исследование наклонных пьезопреобразователей с композиционной пьезопласгиной
4.8 Стабилизация акустического контакта прямого преобразователя с использованием эластичных подкладок
5 ВНЕДРЕНИЕ В ПРОИЗВОДСТВО ТЕХНОЛОГИЙ И ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ С КРИВОЛИНЕЙНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
5.1 Разработка методов и технологии ультразвукового контроля сварных швов сферических корпусов арматуры
5.2 Внедрение наклонных преобразователей для дефектоскопии аустенитных сварных соединений трубных элементов
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЕ

Эффективность применения неразрушающего ультразвукового контроля (УЗК) изделий с криволинейной поверхностью является стратегически важной проблемой в рамках всей промышленности России. Эта проблема обусловлена множеством трудностей, которые возникают именно из-за кривизны контролируемых изделий. Качество проведения неразрушающего ультразвукового контроля при изготовлении, монтаже, ремонте, эксплуатации и технической диагностике (проводимой с целью продления ресурса оборудования) во многом определяет безаварийность работы изделий в целом.
К изделиям с криволинейной поверхностью (сферической и цилиндрической) относятся до 80% изделий от общего количества объектов контроля. Это водо-и паротрубопроводы тепловых и атомных электростанций (в т.ч. трубы малого диаметра поверхностей нагрева), стальные нефте- и газотрубопроводы в нефтехимической и газовой промышленности, цилиндрические трубки несущих конструкций грузоподъемных механизмов и горно-шахтного оборудования. В связи с этим является актуальной задачей исследования акустического тракта, параметры которого определяет кривизна контролируемых изделий, и разработка на основе этого исследования эффективных и ресурсосберегающих методов, технологий, средств и способов УЗК.
В первом разделе проанализированы основные проблемы ультразвукового НК, связанные с влиянием криволинейной поверхности на акустический тракт и, в конечном счете, на результаты УЗК и общую оценку технического состояния изделия. Рассмотрены характерные дефекты, возникающие в указанных изделиях, при использовании электродуговой, электрошлаковой и электронно-лучевой сварки. Проведен обзор и анализ работ по теме диссертации. Сформулированы основные задачи научных исследований работы.
Во втором разделе дан теоретический расчет акустического поля наклонного пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) со сферической границей раздела сред «призма-изделие» при различной ориентации акустической оси ПЭП относительно сферической поверхности изделия. Получены количественные данные изменения угла ввода, ширины диаграммы направленности ПЭП в зависимости от соотношения угла наклона акустической оси (угла падения) и угла призмы при различных параметрах кривизны го/Я; - путь в призме ПЭП, Я — радиус внешней сферической поверхности. Для сферической поверхности сформулированы особенности формирования диаграммы направленности в азимутальной плоскости (плоскости, перпендикулярной плоскости падения) наклонного ПЭП. Для цилиндрической поверхности проведена оценка искажения акустического поля наклонного преобразователя. Установлен и
Таким образом, полученные зависимости позволяют выбрать оптимальные параметры (частота, угол наклона призмы) наклонных преобразователей при УЗ контроле конкретных типоразмеров сварных соединений труб. Например, для трубы диаметром 42 мм предпочтительнее 5 МГц (см. кривые 1 на рис.2.136, в).
Вышеприведенные результаты исследований справедливы для
длинноимпульсного (~5-6 периода) сигнала. Рассмотрим теперь изменение формы излучаемых в изделие упругих импульсов в зависимости от степени кривизны поверхности цилиндрического изделия. Схема расчета аналогична схеме, представленной на рис.2.11.
Частотный спектр давления продольных волн на цилиндрической границе определяется с использованием алгоритма расчета тракта дефектоскопа в режиме излучения [52, 53]. При этом пьезопластина предполагается непосредственно контактирующей с оргстеклом призмы, а демпфер - выполнен из эпоксидной смолы с наполнителем (скорость продольных волн в нем 1400 м/с, характеристический импеданс 5,3-106 кг/(м2-с) для преобразователя с рабочей частотой (р=5МГц и 8,4-106 кг/(м2-с) для преобразователя с [р=10МГц.
Вследствие малости характеристического импеданса призмы (оргстекло) по сравнению с импедансом контролируемого изделия из металла (сталь, алюминий) действие излучения пьезопластины в призму на границе с изделием может быть заменено действием нормального этой границе упругого напряжения Ро[51].
В системе координат Бь используемой для расчетов упругих полей, излучаемых многослойным преобразователем [52], в точке с координатами (г, г,):
Р0(г, г,)=0,51рпр ](2к2 - к;пг) ехр(-ю|прг,)Фпр(к)Н|,|)(кг)с1к; (2.23)

и,пР=(к2-к?„„)0’5
В (2.23) к - параметр интегрального разложения Фурье-Бесселя; к]Пр, кхпр - волновые числа продольных и поперечных волн в призме; рпр -параметр Ламэ призмы; Н[0- функция Ханкеля 1-го рода нулевого порядка; Фпр(к) - трансформанта Фурье скалярного потенциала упругих волн в призме, определяемая из решения системы уравнений для многослойного преобразователя в режиме излучения.
Вывод и расчет интеграла (2.23) проводился Даниловым В.Н. [98] в первом приближении методом перевала в предположении, что-к1Прго»1 по аналогии с [52, 53], где го - расстояние по оси от центра
пьезопластины до точки ввода луча. В результате получено, что
Р0=Р0(О, г0)=-1цпрк^Фпр(0)ехр[1(к1прг0-я/2)]/го (2.24)