Разработка критериев оценки типов дефектов сварных соединений тонкостенных труб волнами Лэмба тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.11, кандидат технических наук Дерябин, Алексей Александрович

• Дерябин, Алексей Александрович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дерябин, Алексей Александрович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА КОНТРОЛЯ. 8 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Схема систем горячего и холодного водоснабжения, 8 газоснабжения

1.2. Требования к трубам

1.3. Сборка и сварка трубопроводов. Контроль качества

1.4. Анализ дефектности водо-газопроводных систем 16 коммунального хозяйства

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

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

Глава 3. ДИФРАКЦИЯ ВОЛН ЛЭМБА

3.1. Плоскостной дефект

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

3.3. Объемный дефект

3.4. Волна Рэлея. Цилиндрическая поверхность

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

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

Выводы по главе

Глава 4. КРИТЕРИЙ ОЦЕНКИ ТИПОВ ДЕФЕКТОВ

Глава 5. МЕТОДИКА КОНТРОЛЯ НЕДОСТУПНЫХ 87 УЧАСТКОВ ТРУБОПРОВОДОВ

5.1. Настройка аппаратуры

5.2. Проведение контроля

5.3. Система позиционирования и перемещения 92 преобразователей

5.4. Экспериментальная проверка методики на реальных 99 образцах

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка критериев оценки типов дефектов сварных соединений тонкостенных труб волнами Лэмба»

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

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

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

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

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

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

Целью работы являлась разработка методики ультразвукового контроля недоступных участков трубопроводов.

Работа состоит из пяти глав.

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

Во второй главе рассмотрены теоретические основы распространения волн Лэмба.

Проанализировав особенности распространения нормальных волн, было установлено следующее.

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

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

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

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

В четвертой главе представлен критерий оценки типов-дефектов.

Критерий состоит в следующем.

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

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

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

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

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

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

Заключение диссертации по теме «Методы контроля и диагностика в машиностроении», Дерябин, Алексей Александрович

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

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

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

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

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

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

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дерябин, Алексей Александрович, 2008 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

57. Технологии контроля недоступных участков тонкостенных трубопроводов

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