Разработка методики акустического неразрушающего контроля остаточных напряжений в специальных трубах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Алифанова Ирина Евгеньевна

• Алифанова Ирина Евгеньевна
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Алифанова Ирина Евгеньевна

РЕФЕРАТ

SYNOPSIS

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОБЪЕКТОВ КОНТРОЛЯ И СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

1.1 Анализ объектов контроля

1.2 Анализ методов неразрушающего контроля в специальных сталях

1.3 Выбор средств неразрушающего контроля остаточны1х напряжений

Выводы по 1 главе

ГЛАВА 2. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА ОБОСНОВАНИЯ ПРИМЕНИМОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО МЕТОДА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СПЕЦИАЛЬНЫХ ТРУБАХ

2.1 Содержание расчетно-экспериментальной методики обоснования применимости ультразвукового метода для контроля остаточны1х напряжений в специальные трубах

2.2 Алгоритм определения характеристик оптико-акустического преобразователя

2.3 Определение коэффициентов упруго-акустической связи

2.4 Определение коэффициента термоакустической связи

2.5 Обоснование возможности контроля остаточнык напряжений при поперечном изгибе балки103

2.6 Обоснование возможности контроля остаточнык напряжений при одноосном сжатии

кольцеобразного образца

2.7 Обоснование возможности неразрушающего контроля с использованием продольной

подповерхностной ультразвуковой волны на объектах контроля с радиусом кривизны

2.8 Оценка неопределенности остаточны1х напряжений, измеренные с помощью оптико-

акустического преобразователя

Выводы по 2 главе

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ И МЕТОДИЧЕСКИХ ОСНОВ УЛЬТРАЗВУКОВОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СПЕЦИАЛЬНЫХ ТРУБАХ

3.1 Разработка и изготовление средств механизации контроля остаточны1х напряжений

3.2 Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения

3.3 Разработка методики ультразвукового контроля остаточны1х напряжений в специальные трубах

Выводы по 3 главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АПРОБАЦИЯ МЕТОДИКИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СПЕЦИАЛЬНЫХ ТРУБАХ

4.1 Контроль остаточных напряжений в образце специальной трубы на разных этапах

механической обработки

4.2 Контроль остаточных напряжений в образце специальной трубы до и после автофретирования

4.3 Анализ отклонения оси специальных труб от прямолинейности

Выводы по 4 главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ

ПЕРЕЧЕНЬ НОРМАТИВНЫХ ССЫЛОК

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А СЕРТИФИКАТЫ О КАЛИБРОВКЕ ОБРАЗЦОВ ИЗ СОСТАВА КОМПЛЕКТА НАСТРОЕЧНЫХ ОБРАЗЦОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б МЕТОДИКА УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СПЕЦИАЛЬНЫХ ТРУБАХ

ПРИЛОЖЕНИЕ В ФОРМА КАРТЫ КОНТРОЛЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ Г ПОРЯДОК ГРАДУИРОВКИ ОПЫТНОГО КОМПЛЕКТА СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ НА БАЗЕ ЛАЗЕРНО-УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДЕФЕКТОСКОПА УДЛ-2М С ЦЕЛЬЮ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА АКУСТОУПРУГОЙ СВЯЗИ

ПРИЛОЖЕНИЕ Д ПОРЯДОК ГРАДУИРОВКИ ОПЫТНОГО КОМПЛЕКТА СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ НА БАЗЕ ЛАЗЕРНО-УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДЕФЕКТОСКОПА УДЛ-2М С ЦЕЛЬЮ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕРМОАКУСТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

ПРИЛОЖЕНИЕ Е ПОРЯДОК ГРАДУИРОВКИ ОПЫТНОГО КОМПЛЕКТА СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ НА БАЗЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДЕФЕКТОСКОПА СПКП С ЦЕЛЬЮ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА АКУСТОУПРУГОЙ СВЯЗИ

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж РЕЗУЛЬТАТЫ КОНТРОЛЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ОБРАЗЦЕ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТРУБЫ НА РАЗНЫХ ЭТАПАХ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

ПРИЛОЖЕНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ КОНТРОЛЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ОБРАЗЦЕ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТРУБЫ ДО И ПОСЛЕ АВТОФРЕТИРОВАНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ К АКТ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ Л ТЕКСТЫ ПУБЛИКАЦИЙ

Реферат

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики акустического неразрушающего контроля остаточных напряжений в специальных трубах»

Актуальность темы исследования

Контроль остаточных напряжений в ответственных узлах дорогостоящих изделий из специальных материалов в судостроении, авиастроении, ракетостроении и в других областях промышленности является актуальным, так как превышение предельного уровня остаточных напряжений может привести не только к недопустимой деформации, но и к разрушению изделий [1 - 4, 131 - 133].

Изготовление специальных труб - сложный технологический процесс, включающий такие технологические операции, как ковка, центробежное литье, мехобработка, термообработка, правка и др [5, 6, 134]. Каждая технологическая операция оказывает свой вклад в напряженно-деформированное состояние готового изделия, приводя в конечном итоге к недопустимой деформации специальных труб, отклонению их от прямолинейности. Контроль остаточных напряжений в материале специальных труб после проведения разных технологических операций может способствовать анализу причин возникновения остаточных напряжений в готовом изделии и, возможно, корректировке технологического процесса их производства. Кроме того, применение методики неразрушающего контроля остаточных напряжений необходимо при планировании и оценке эффективности мероприятий по снижению остаточных напряжений.

Однако в настоящее время не существует окончательно сформированного метода, методики, средства неразрушающего контроля, которые позволили бы определять величину и направление остаточных напряжений, что обуславливает актуальность темы диссертационных исследований. Развитию подобного метода неразрушающего контроля препятствует ряд нерешенных проблем: отсутствие эталона единицы механических напряжений

[7]; неприменимость классических методов расчета механических напряжений к сложно-нагруженным изделиям [8]; отсутствие точного математического описания процессов возникновения остаточных напряжений с учетом фазовых переходов [9].

Степень разработанности темы исследования

Ультразвуковые методы контроля остаточных напряжений, основанные на явлении акустоупругости, являются одними из наиболее перспективных методов. Исследованию эффекта акустоупругости посвящены многочисленные теоретические и экспериментальные работы отечественных и зарубежных ученых научных школ под руководством Н.П. Алешина (Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана), В.М. Бобренко (Всесоюзный научно-исследовательский институт по разработке неразрушающих методов и средств контроля качества материалов), А.Н. Гузя (Институт механики им. С.П. Тимошенко НАН Украины), О.И. Гуща и Ф.Г. Махорта (Институт электросварки им. Е.О.Патона НАН Украины), Н.Е. Никитиной (Нижегородский филиал Института машиностроения им. А.А. Благонравова РАН), Э. Шнайдера (Фраунгоферовский институт неразрушающего контроля, Германия) и др. Однако практическое применение данного метода на реальных объектах требует решения ряда научных и инженерно-технических задач [10 - 14].

Объектом исследования являются остаточные напряжения, действующие в материале специальных труб на разных этапах их изготовления.

Предметом исследования являются метод и средства ультразвукового контроля остаточных напряжений.

Целью диссертационных исследований является обеспечение требуемой прямолинейности оси канала специальных труб на основе результатов ультразвукового контроля остаточных напряжений на разных этапах их изготовления.

Задачами исследования

Для достижения цели исследования были поставлены и решены

следующие задачи:

1. Провести анализ причин образования остаточных напряжений в специальных трубах в процессе их изготовления, а также современного состояния и тенденций развития методов и средств неразрушающего контроля остаточных напряжений.

2. Разработать расчетно-экспериментальную методику обоснования применимости ультразвукового метода для контроля остаточных напряжений в специальных трубах.

3. Разработать средства и методические основы ультразвукового контроля остаточных напряжений в специальных трубах.

4. Провести экспериментальную апробацию разработанной методики ультразвукового контроля остаточных напряжений в специальных трубах на разных этапах их изготовления.

Научная новизна

Научная новизна результатов диссертации состоит в том, что:

1) впервые разработан алгоритм определения характеристик оптико-акустического преобразователя;

2) установлена зависимость между остаточными напряжениями, действующими в материале специальных труб, и отклонением оси канала специальных труб от прямолинейности.

Теоретическая значимость

Теоретическая значимость результатов диссертационной работы состоит во вкладе в теорию акустоупругости, а именно:

1) определены вклады в неопределенность и оценена неопределенность результатов измерений остаточных напряжений, полученных с помощью средств ультразвукового контроля с оптико-акустической генерацией акустических колебаний;

2) обоснована применимость ультразвукового метода контроля остаточных напряжений, основанного на измерении изменения скорости распространения продольной подповерхностной волны на базе оптико-

акустического преобразователя 30 мм, в цилиндрических изделиях радиусом не менее 0,115 м.

Практическая значимость

Практическая значимость результатов диссертационной работы состоит в том, что разработанные средства и методика неразрушающего контроля позволяют:

- проводить контроль остаточных напряжений в специальных трубах в диапазоне от минус 800 до плюс 800 МПа;

- устанавливать допустимый уровень остаточных напряжений в зависимости от заданной прямолинейности оси специальных труб на различных этапах их изготовления;

- разрабатывать рекомендации по корректировке операций технологического процесса изготовления специальных труб с целью снижения остаточных напряжений в готовом изделии,

и, тем самым, обеспечить требуемую прямолинейность оси специальных труб.

Методология и методы исследования

Для решения поставленных задач использовались следующие методы: математического анализа, теории сопротивления материалов, физический эксперимент, численный эксперимент (моделирование), статистической обработки результатов эксперимента.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Ультразвуковые методы, основанные на явлении акустоупругости, позволяют измерять осевые и окружные остаточные напряжения в толстостенных трубах переменного сечения с внешним радиусом не менее 0,115 м с неопределенностью не более 10 % при величине измеряемых остаточных напряжений не менее 100 МПа.

2. Разработанная методика ультразвукового контроля остаточных напряжений в специальных трубах позволяет оценивать вклад одной технологической операции (механическая обработка, автофретирование) в распределение остаточных напряжений в материале изделия.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы имеют практическую значимость для Учреждения науки ИКЦ СЭКТ, и были использованы при разработке опытного комплекта средств контроля остаточных напряжений и методики контроля остаточных напряжений в рамках научно-исследовательской работы «Обеспечение измерений остаточных напряжений в материале специальных труб», шифр НИР «Точность-М».

Степень достоверности результатов работы

Достоверность полученных результатов обеспечивается следующим:

- непротиворечивостью теоретических результатов, полученных с помощью разработанных моделей результатам экспериментов;

- практической апробацией разработанных средств и методики контроля на специальных трубах;

- использованием при решении частных задач диссертационных исследований известных апробированных моделей и методов;

- апробацией основных результатов, полученных в ходе диссертационных исследований, на научно-практических конференциях Всероссийского и международного уровней.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1) 17ая Международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков» ОМИП-2023 г. Москва, Национальный исследовательский университет «МЭИ», 26.06.2023 - 30.06.2023 г.

2) XXXIV Уральская конференция с международным участием «Физические методы неразрушающего контроля (Янусовские чтения)», г. Пермь, ФГАОУ ВО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», 20 - 21 апреля 2023 г.

3) XII конгресс молодых ученых ИТМО, г. Санкт-Петербург, Университет ИТМО, 03 - 06 апреля 2023 г.

4) VI Международная конференция «Информационные технологии и технические средства управления» (1ССТ-2022), г. Астрахань, Астраханский государственный технический университет, 03 - 07 октября 2022 г.

5) Пятьдесят первая (и) научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО, г. Санкт-Петербург, Университет ИТМО, 02 - 05 февраля 2022 г.

6) VIII Международный промышленный форум «Территория N0^, г. Москва, ЦВК Экспоцентр, 18 - 21 октября 2021 г.

7) 16ая Международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков 2021», Национальный исследовательский университет «МЭИ» Москва, 28 июня - 02 июля, 2021 г.

8) XXXII Уральская конференция «Физические методы неразрушающего контроля (Янусовские чтения)», г. Екатеринбург, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, 24 ноября 2020 г.

9) Международная конференция-семинар «Методы и средства научных исследований», дистанционно, 12 - 14 октября 2020 г.

10) IX Конгресс молодых ученых (КМУ), г. Санкт-Петербург, Университет ИТМО, 15 - 18 апреля 2020 г.

11) Всероссийская школа-конференция с международным участием Аддитивные технологии в цифровом производстве. Металлы. Сплавы. Композиты, НИТУ «МИСиС» г. Москва, 2 - 4 октября 2019 г.

Личный вклад соискателя

Личный вклад соискателя состоит в постановке цели и задач теоретических и экспериментальных исследований, планировании и проведении физических и численных экспериментов, обработке полученных результатов экспериментов, разработке требований к оборудованию неразрушающего контроля, калибровочным образцам и образцам-свидетелям, разработанным средствам механизации и программному обеспечению, проведении апробации разработанной методики ультразвукового контроля остаточных напряжений на предприятии-изготовителе специальных труб.

Все результаты, приведенные в диссертации, составляющие её научную новизну, и выносимые на защиту положения, получены лично автором. Подготовка публикаций проводилась с научным руководителем и соавторами, при этом вклад соискателя был определяющим.

Публикации

Основные результаты по теме диссертации изложены в 8 публикациях. Из них 3 изданы в рецензируемых научных изданиях, индексируемых в международной реферативной базе Web of Science/Scopus, 4 в изданиях из перечня рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук (далее -Перечень ВАК), 1 - в изданиях, входящих в базу РИНЦ.

В международных изданиях, индексируемых в базе данных Scopus:

1) Федоров А.В., Быченок В.А., Беркутов И.В., Алифанова И.Е. Модель акустического тракта раздельно-совмещенного оптико-акустического преобразователя [Model of the acoustic path of a separate-combined optical-acoustic transducer] // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики [Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics] - 2022. - Т. 22. - № 2(138). - С. 339-347.

2) Alifanova I.E., Fedorov A.V., Bychenok V.A., Berkutov I.V. Acoustoelasticity Method with Thermo-optical Generation of Ultrasonic Vibrations for Control of Residual Stresses in Special Pipes // 2022 International Conference on Information, Control, and Communication Technologies (ICCT) - 2022, pp. 1-5.

3) Fedorov A.V., Bychenok V.A., Berkutov I.V., Alifanova I.E., Khoshev A. Methodology for assessing the uncertainty of measurements of mechanical stresses by the ultrasonic method with the help of an optical-acoustic separate-combined transducer // Journal of Physics: Conference Series - 2021, Vol. 2127, No. 1, pp. 012036.

В изданиях из перечня ВАК РФ:

1) Алифанова И.Е., Федоров А.В., Кинжагулов И.Ю., Быченок В.А., Беркутов И.В. Сопоставление результатов экспериментальных и теоретических исследований механических напряжений при сжатии кольцеобразного образца // Приборы - 2022. - № 12(270). - С. 22-26.

2) Федоров А.В., Быченок В.А., Беркутов И.В., Алифанова И.Е. Методика оценки неопределенности измерений механических напряжений ультразвуковым методом с помощью оптико-акустического раздельно-совмещенного преобразователя // Контроль. Диагностика - 2021. - Т. 24. - № 7(277). - С. 56-61.

3) Федоров А.В., Быченок В.А., Беркутов И.В., Алифанова И.Е. Сопоставление результатов экспериментальных и расчетно-теоретических исследований механических напряжений // Приборы - 2021. - № 6(252). - С. 3037.

4) Федоров А.В., Быченок В.А., Беркутов И.В., Алифанова И.Е. Контроль механических напряжений в толстостенных трубах // Технико-технологические проблемы сервиса - 2020. - № 4(54). - С. 26-31.

В иных изданиях:

1) Сергеев А.С., Алифанова И.Е. Акустическая тензометрия технических объектов // Альманах научных работ молодых ученых Университета ИТМО - 2021. - Т. 2. - С. 31-36.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и десяти приложений. Работа содержит 302 страницы, 61 рисунок, 24 таблицы и 134 ссылки на литературные источники.

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность и степень разработанности темы исследования, сформулирована цель, задачи, научная новизна, теоретическая и

практическая значимость диссертационного исследования, перечислены методология и методы исследования, изложены положения, выносимые на защиту, описана апробация, достоверность и внедрение результатов работы, приведены публикации соискателя по теме исследования, а также структура и объём диссертации.

В главе 1 проведен анализ объектов контроля и современного состояния и тенденций развития методов и средств неразрушающего контроля (НК). Специальные трубы представляют собой тела трубчатой формы переменного сечения с внешним диаметром 0,2 - 0,3 м при длине более 5 м, изготовленные из специальной стали. К производству специальных труб предъявляются высокие требования обеспечения прямолинейности. Во многом сохранение геометрических характеристик специальных труб при производстве определяется уровнем остаточных напряжений (ОН), которые практически невозможно учесть в расчетах, проводимых при проектировании. Прямые измерения механических напряжений могут быть использованы как для проверки правильности таких расчетов, так и для оперативной диагностики технического состояния специальных труб при эксплуатации и корректировке технологических процессов при изготовлении.

Процесс изготовления специальных труб включает такие операции, как предварительная и окончательная ковка, несколько этапов механической обработки, термообработка, правка, автофретирование. На заключительном этапе изготовления проводится контроль прямолинейности специальных труб. В том случае, если отклонение от прямолинейности специальных труб превышает допустимый уровень, образцы подвергаются на холодной правке. После холодной правки повторно проводится операция термообработки.

В том случае, если отклонение от прямолинейности соответсвует допустимому значению, специальные трубы подвергаются механическим испытаниям. Если механические свойства не соответствуют требуемым, специальные трубы вновь подвергаются термообработке, автофретированию и

холодной правке при необходимости, пока не будут достигнуты требуемые механические свойства, но не более 3 раз. На третий раз изделие бракуется.

Разные технологические операции в большей или меньшей степени способны оказывать влияние на распределение ОН в готовом изделии. Контроль ОН на отдельных этапах изготовления специальных труб позволит выявить технологические операции, оказывающие наибольший вклад в образование ОН в изделии, недопустимый уровень (недопустимое распределение) ОН еще на этапе производства и своевременно провести мероприятия по снятию ОН. На рисунке 1 приведена одна из возможных блок-схем технологического процесса изготовления специальных труб с включенными операциями по контролю и снятию при необходимости ОН.

Рисунок 1 - Возможная блок-схема технологического процесса изготовления заготовок специальных труб с операцией по контролю ОН

Недостаток расчетных методов заключается в невозможности учета сложного влияния различных параметров технологического процесса, изменения свойств металла и его состояния, фазовых превращений и других

важных факторов, существенно изменяющих характер напряженно-деформированного состояния изделия [8, 9].

Существенный недостаток механических методов заключается в условии частичного нарушения целостности объекта контроля в результате просверливания отверстий, нанесения меток, разрезов и т. д. [26]. Таким образом механические методы неприменимы для дорогостоящих изделий и применяются опосредованно, путем проведения исследований на образцах-свидетелях, что не может обеспечить требуемую достоверность результатов контроля. Другим важным недостатком механических методов является их неработоспособность при контроле изделий с градиентом напряженно-деформированного состояния конструкций.

Основными физическими методами, которые применяются при разработке методов и средств измерения остаточных напряжений в металлах, являются: радиационный, тепловой, магнитный, электромагнитный, метод твердости и т.д. После проведения подробного анализа возможности применения вышеперечисленных методов для измерения ОН в металлах, наиболее эффективными были признаны ультразвуковые методы.

Препятствием для широкого распространения ультразвукового метода контроля ОН является малая выраженность явления акустоупругости: скорость распространения ультразвуковых волн (УЗВ) при ОН близких к пределу текучести меняется на несколько процентов. При ОН в сталях около 100 МПа измерение скорости распространения УЗВ не превысит 50 м/с. Данное явление обуславливает необходимость высокой точности измерений скорости распространения УЗВ [107, 108]. Причем измерения требуется проводить на локальном участке.

С целью повышения точности измерения скорости распространения УЗВ предлагается использовать ультразвуковой метод с термооптической генерацией акустических колебаний. Суть метода заключается в том, что лазерный импульс, передаваемый с помощью оптоволокна через преломляющую призму и тонкий слой акустической жидкости, поглощается

участком поверхности объекта контроля, в результате чего осуществляется нагрев приповерхностного слоя образца и его тепловое расширение, приводящее к возбуждению акустического импульса - оптоакустического сигнала. Профиль оптоакустического сигнала повторяет форму огибающей интенсивности лазерного импульса.

Преимущества ультразвукового метода с оптико-акустической генерацией акустических колебаний заключаются в следующем:

- лазерное возбуждение обеспечивает генерацию мощных и коротких апериодических УЗ-сигналов, с помощью которых обеспечивается проведение измерений с качественным разрешением по времени;

- широкополосность и малая длительность (70 - 80 нс) акустических импульсов, возбуждаемых с помощью оптико-акустической генерации, обеспечивает высокую точность измерений скорости распространения УЗВ (относительная погрешность не более 1%, повторяемость 1-2 м/с).

Анализ технических характеристик существующего ультразвукового оборудования позволил выделить наиболее эффективные средства измерения ОН и сформировать два опытных комплекта средств контроля ОН в специальных трубах.

1) Комплект средств измерений ОН на базе ультразвукового двухканального ультразвукового дефектоскопа (УЗД) и трехкомпонентного пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП). ПЭП обеспечивает генерацию и прием двух взаимно-поляризованных поперечных волн с частотой 1,25 МГц и продольную ультразвуковую волну с частотой 5 МГц. С помощью данного комплекта средств ОН оцениваются по формуле (1) в объеме, соответствующем толщине объекта контроля и площади контакта ПЭП и объекта контроля (рисунок 2).

'^ = Кх - 1 )-К2 С-3'-02 - 1)

ч С! С03 / \^03 ' (1)

а2 = ^С-3'-02- 1 )-К2(-3'-01- 1)

где K-l, К2 - коэффициент упруго-акустической связи (КУАС) во взаимно-перпендикулярных направлениях;

t0i, to2, ^оз - задержки импульсов поперечных и продольной волн до приложения напряжений;

ti> 12, ^з - задержки импульсов сдвиговых и продольной волн после приложения напряжений.

±23

Г'/

Г

X

—

15

1 - генератор и приемник 1-ой поперечной волны; 2 - генератор и приемник продольной волны; 3 - генератор и приемник 2-ой поперечной волны; 4 - объект контроля Рисунок 2 - Конструктивная схема ПЭП

2) Комплект средств измерений ОН на базе лазерно-ультразвукового дефектоскопа ЛУД и раздельно-совмещенного оптико-акустического преобразователя (ОАП), генерирующего продольную подповерхностную ультразвуковую волну. С помощью данного комплекта средств ОН рассчитываются по формуле (2) и оценивают интегральную величину ОН в подповерхностном слое в зоне измерений на базе преобразователя L (в настоящее время используются преобразователи с базой измерений (20-30 мм) (рисунок 3).

„ у+кт(т-т0)-ур

О = ку---, (2)

уо

где у0 - скорость продольной подповерхностной УЗВ, измеренной при температуре Т0; у - скорость продольной подповерхностной УЗВ, измеренной

при температуре Т; Кт - коэффициент термоакустической связи (КТС), Ку -

1 - излучатель; 2 - приемник; 3 - линия задержки ОАП; 4 - объект контроля Рисунок 3 - Конструктивная схема ОАП

Во второй главе диссертации приведена расчетно-экспериментальная методика обоснования применимости ультразвукового метода для контроля остаточных напряжений в специальных трубах.

Для достижения высокой точности измерений скорости распространения продольной подповерхностной УЗВ фактические характеристики ОАП (база и время задержки в призмах ОАП) должны быть определены достаточно точно. Для проведения калибровки ОАП был разработан и изготовлен комплект настроечных образов (КНО), который включает стандартный образец СО-3, изготовленный из стали 20 и два образца толщины и скорости распространения продольной ультразвуковой волны, изготовленные из стали 40Х13 и из сплава Д16. В результате проведения калибровки ОАП получены значения базы и задержки, которые будут использоваться при дальнейших измерениях данным ОАП, а алгоритм калибровки будет использоваться при определении параметров новых ОАП.

С целью проведения экспериментальных исследований по определению КУАС и КТС были изготовлены образцы-свидетели из того же материала, и прошедшие те же технологические операции, что и специальные трубы, что обеспечило максимальное соответствие физико-механических свойств материала образцов-свидетелей материалу специальных труб. Коэффициенты КУАС были определены в результате проведения одноосного ступенчатого растяжения в упругой зоне и измерения изменения скорости распространения

КУАС.

УЗВ в результате механических напряжений, действующих в материале образца-свидетеля. Градуировочная характеристика, полученная с помощью ЛУД и ОАП приведена на рисунке 4, с помощью УЗД и ПЭП - на рисунке 5.

ф ф ф 250 А 200

ф ф ' 1 чл

• "..... Л '''Л. 100

ф 50

0040 -0,0035 -0,0030 -0,0025 -0,0020 -0,0015 -0.0010 -0,0005 0;<>> 0>.-1Ъ)/1>0

• И1-1

* И1-2

♦ И1-3

* И1-4

Рисунок 4 - Градуировочные характеристики, полученные с помощью ЛУД и ОАП на образцах-свидетелях

а, МПа 150

160

140

120

100

ВО

60

40

20

-20

А

• ■"Ф

*

_ф _а_

*

•

•

(1 0.0002 0.0004 0,0006 0,0008 С1,301 0,0(

И1-1

И1-2

1 t(lít03/tLt3

Рисунок 5 - Градуировочные характеристики, полученные с помощью

УЗД и ПЭП

Коэффициенты КУАС при этом составили:

- для ЛУД и ОАП минус 58957 МПа;

- для УЗД и ПЭП плюс 151017 МПа.

Определение КТС проводилось при проведении ступенчатого нагрева образца-свидетеля в термокамере и измерения изменения скорости

распространения продольной подповерхностной УЗВ в результате температурного воздействия. КТС составил 6,7 м/с-К.

Проведены испытания на изгиб свободно опертой балки прямоугольного сечения с одновременным измерением ОН с помощью ОАП и ПЭП в двух положениях - со стороны приложения нагрузки (сверху) и с противоположной стороны. Составлена соответствующая эксперименту расчетная модель. Результаты измерений ОН двумя методами: с помощью ОАП (интегрально в поверхностном слое материала балки) и с помощью ПЭП (интегрально по толщине балки), - показали удовлетворительную сходимость с расчетными значениями ОН в соответствующих зонах контроля, что подтверждает возможность использования выбранных методов для контроля двухосного напряженного состояния.

Проведены испытания на сжатие кольцеобразного образца с одновременным измерением ОН с помощью ОАП и ПЭП. Составлена соответствующая эксперименту конечно-элементная модель. Результаты измерений ОН двумя методами: с помощью ОАП и с помощью ПЭП, -показали качественную сходимость результатов эксперимента с результатами моделирования в соответствующих зонах контроля, что подтверждает возможность использования выбранных методов для контроля напряженного состояния в изделиях цилиндрической формы.

Разработана компьютерная модель акустического тракта ОАП. Адекватность модели подтверждена с помощью критерия Фишера, оцененного по времени пробега продольной подповерхностной УЗВ от излучателя до приемника ОАП, измеренного в результате натурного эксперимента и компьютерного моделирования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Алифанова Ирина Евгеньевна, 2023 год

Библиографический список

References

Для нптпроалвпя статьи:

Федоров A. B.f Быченок В, А., Ьерьчто-в II. В.. Алнфлво-ва II. Е, Методика опенки неопределенности намерении мешнзгчесыЕ напряжении ультразвуковым метолом с ппоюиьм оптнко-акуспгческаго рааделшо-ыиыепщнвого преобразователя !/ Контроль. Диагностика. 2021. Т. 24, № 7. С. 56-61. DOI 10Л44Я9/t<L2021 07 ц? 05б^К1

Use the reference belorv to -cite the publication:

Fedomv A V., Bychenot V. A. Beikutov L V.. Alitanova I E. (2021). Methodology for nahiluHi ibe uncertainty of measurement of mectamcal stress by lie ultrasonic method T\Tth lie help of an optical-acoustic ;epLrale-coriifcined transducer. Koran? Diagiiaztika. Vol 24, (7): pp. 56 -i 1. [in Russian languaee], ЕЮ110.144SS-tiL2021.07pp.056-CSl

Horror. [Яадгекика. 2П21, vol 34, на. 1

Теория и г им mpjmp млнш'

A.B. Федоров, В. А. Бычснок, И.В. Беркутов, И.Б. Алифанова

СОПОСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И РАСЧЕ7Н О-ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Линотипия

С целью научного обоснования экспериментальных методов ультразвукового контрчпзя механических напряжении 1\1Н) были проведены исследования по идмерению МН. дрйству рощих б материале балки при се идгийс. к соответствую плис расчеты гю оценке ЧН. Для контроля МН при поперечном inmfie oiipa.iiр. tc-польчовали лва комплекта среасга контроля МН. Результаты измерений МН гюсрелством ультраэнужовык метола контроля и рстультаты расчета показали удовлетворительную с ходимость. I [оказано, что. иегюльтуя одновреме н но два приложенных метола контроля МН. можно получить полное представление о напряженно-деформированном оостоянии тела.

Клим-га ьк слова: ьипртження. упмризнуж, а^тоуптопость. изгиб.

Введений

УдьтразвукоMjе негоды изиереннй ыехалн-ческнл напряжений (МП), основанные на явлении ак^стоупругости, на настоящий мощнт являются одни мн из cauux itpqiemiHux н стремительно ршнгащвхи методов, Преимущества данных методов многократно отмечены и не вызывали сомнений |1|-|3|. Однако широкому применению ультразвуковых методов намерений Ml I Lipei jd LtL ByeL ряд нерешенных вопросов, среди который отсутствие методов достоверного определения величины МН июжнонагр уженных элементов конструкций, которые ногдн бы выступать в качеств« арбитражных методов.

Дти демонстрации возможностей методов измерений МН 4JCLO испошлит одноосное клру-женнеобразцан сравнение измеренных значений МН с расчетными При мерси такого нагруження является од ноосное растяжение пропор цнональ-i:ыл. образков [4|. Интерес также представляет, насколько ультразвуковые методы

контроля МП LipLi двухосном напряженном со-его ЛИ Uli.

Про<з вйши м ел у чаем дву хосьюго налря жени ого состояния является поперечный изгиб при действии перерезывающей см лье, при котором напряженное состояние чине» ue-icu от одноосного растяжения и сжатия (в верхних и нижних волокнах} до чистого сдвига, т. е. двух осы о го разноименного напряженного состояния в центре бал кн [э|.

С целью научного обоснования зкенернмен-тал ь них nil одо в ультразву кового ко нтротя МI í были проведены исследования по измерению МН, действующих в материале балки при ее изгибе, и соответствующие расчеты по оценке Ml I.

Сродства и методы измерений

Дли kohl рои и wxaiomecKLix напряжений {МН} при поперечном и и и бе образца использовали два ком LL 1екч а средст в контроля МП.

1 5 2

5

Рис. 1. Кпнструтеная схема ОАП: 1 - излунаткпк 2 - приемник; 3 - линга мдаржкиОАП;

4 - -эёъмт контр яп-я; G - путь распространения ультразвукав,Ы1 волны; L - йаза ОАП

Комплект средств на Sa t. цзерый-упьтра лукового дефектоскопа (ЛУД) Li ohl нко-а к у cll: четкого раздельно-совмещенного преобразователя (ОАП) пт&оляет проводить количественную интегральную оценку МП. действующих вобье-мематериалаобьекта контроля в поверхностном слое глубиной около 0.003 м на соответствующей базе используемого раздельно-совмещенного преобразователя {0,03 mjll при ншрнне, соогвег-

П РИЬО РЫ. ШI. А (252)

ствующей 1квиварентному диаметру прнемяшса ОЛП. На риг. } представлена конструктивная схема ОЛП. Стрелочками 1:а схеме обозначен путь рмлроораиен 1ш 1 гр о до яш онод п о верх но-стиой ультразву ково Й волны (У ЗВ). Зал какой вы делен объем, ы котором о пен нваетса вели чина МП

При контроле данным методом МП оцениваются по относительному изменению скорости рвСПрОСТ раненнЯ ПрОДОлЬНО -110Д ПОВер л костной У1В с учетом температурного црияния:

<1 >

где ЛГТ - коэффициенты упругоакустнчеекой (КУАС ) и термоакуст нческоп \ КТС) свнгп ма1е-рча1а соответственно; V- скорости распросч-рапенил УЗВ, намеренные н материале объекта контроля при отсутствии н нем МП при температуре Г0 н при вдличнн ы нем МП при температуре Г соответствен но [6|.

Комплект средств ка базе ультразвукового дефектоскопа и треяхомпонентневд пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) позволяет про&о, щть ко:шчест венную интегральную оценку МП. действующих в объеме материала обьек-ча контроля, соот ветстъу вашего площади контакта ГП>П с поверхностно объектаконтроля ы при толщине объекта контроля ы несте контакта (не более 0,3 ы) в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Па риг. 2 представлена конструк-тавдаасхемаПЭП. ПЭП позволяет генерировать н принимать две взаимно поляризованные поперечные к одну продольную волны. Стрелочкамы на слеме обозначено направление раслростране-ния волн, а знаками <=>. >- п ®—направление поляризации. Зал никой выделен объем, в котором оценивается величина МП.

; 7 з

/

71

(э

При контроле данным методом МН оцениваются по отноентспыюц^ изменению времен- задержек У1В |7|:

'' прпл'о.л 1

)/ип 1,)-1;

ОдфСЩ "П I

(2)

Рис. 2. Конструктивна? еяема ПЭП: 1 - генератор ■цмшиг 1 -А по пере-ной волны; 2 - генератор и приемник продольной волны: 3 - генератор и прмемнж 2-й поперечной волны; -4 - объект к-онтроп?

ьуде Л",, А", - КУЛС материала во взаимно перпендикулярные направлениях; г0д1]К1;1,уп11 в[ймена задержек соответственно продольной, первой и второй по перечн ых УЗВ н материале объекта контроля при отсутствии и нем МП: ^"п 1" гл2 - времена задержек соответственно продольной, первой и второй поперечных УЗВ н материале объекта контроля при наличии в нем МП

В формулах 1[12.1 введены индексы «ОЛП»' и «ПОПю. чтобы подчеркнуть, что напряжения С'олп 1С ^птп: нзиерцищ двумя разными методами, должны иметь разные значения всоответ-схннн с рис. 1 и 2.

Постановка эксперимента

Па рис. $ представлена схема проведения эксперимента. Образец I с поперечным сечением 0,02 х0.04 м и свободной (не опертой) длиной 0,3 м расположен на опора* нспытательнсяо стенда в горизонтальном \рис-. За, в) или вертикальном \рш-. Зо, г) положениях. 11а образце в положении В (сверху) иди в положении П (снизу), как отмечено на рш унк*., при помощи дер ждтеля установлен ОЛП 2 (или ПОП при изменении при помощи ПЗП). Положения преобразователей выбраны исходя из возможности установки ОЛП или ГГ)П на образце с учетом геометрии испытательного стенда и держателя. При помощи пресса 3 образец нагружается давлением .ц. равным 0, 25. 50, 75 и 100 ■ 105 ПУм-. Па каждом лане ь«а1р\же-ння фиксируются значения скорости раси[нк-[ране 1:кш продо1шно-пйдповерхностнйй УЗВ при помощи ()ЛП и ы[ймеь1 задержек продольной и поперечных вот при помощи ППЖ

Рас четна я модель

Данной схеме нагружен ня соответствует расчета» модель, изображенная ьй риг. 4. Балка сечением атЬ и длиной /,расположенная на шарнирных опорах, в центре нагружается сосредоточенной сило П Р.

ПРИОРЫ. 2021.

31

Как уже было отмечен di при проведении измерений при помощи ОЛП МП оцениваются и некотором под поверхностном слое. Поэтому представляет интерес среднее значение МН и некотором объеме обьекча контроля, Па put. 5 предст ацкна ливра нормаль ны х напряжений для значений у - утля li для прощвольного значения у, > О дзя всех .значенн lí z (or 0 до /}.

Дтя оценки среднего значения МП. дебетующих ы поверхностном слое толщиной у, на отрезке от z: до =2, необходимо площадь фигуры, выделенной заливкой на рас. 5, разделит ь ка длину отрезка (z2 - ¿¡У-

qi^i

При .

= + + y(> t W(z2 -

npHz,Fz2> 1/2.

(B)

При проведении измерений li[h[ помощи ГП)П МН оцениваются интегрально по всей толщине изделия lor -ymiA до Тогда, очевидно, из формул (В)следует лг;тк:1 = О в любых положениях ГП>П

Максимальные касательные напряжения определяются ураынеьснем [Е]

г = 1П4аЬ,

mu

и при данных значениях у не превысят 60 ■ 10s Па. что находится в пределах погрешности используемы* методов измерений МП. По этой причине касательные напряжения далее не будут ана-лнзирова L ься.

Макснмашдый прогиб банки нычнеляется по формуле [8|

Д = Pf* 1 24 EJ .

где Е - модуль Юнга материала образца При максимальном значении q в горизонтальном вд-ложен ни образца максимальный прогиб составит

м. ч. oi.piliil.il. к и ^ i . ^ i _i l i . -■ i _ 11 -■ 11: . 11l к > -

r^s^iJ

Неладные данные для расчета

rtifHUÉ-Tp Един ла Ktft-|>ft-i KIH ^ЧЦШ)

1 u Oí

a и 0,04 ivhi rOptóLiHláJlbtt.H СЛйЯйЛйлй-нииФбцаа^; 0,02 ntw црпиалшйн распйпйяй! ни йСра^ца

££4^11411 tiäjuufl b ■ 0,02 При fÖ[»ÖL1M 1шЪ M¿W (1ПОЮГ* T*f lili Wffriri 'nil 0,04 i|V ЬфПИСЬЛшВД СзаСПЙЛй^нии rtíijiu J

rifiétea Q li/knä>- 105 0, 25, SO, 75, 100

Гл\Сина рйсщхкпрал-нив Yi H Д« -O.OOQ

Ga.-и ÍW L H 0.03

fe.jiftuíirá та no an mí* :%lui l./ 2 ■ Qt 0,136 да q,l4i вдитшоисии nnjifimitti (пйлйяати Н íhk- ЗУ, ÖT0.05 до 0,06 цпи 1клйл£ник1 ОЛГ ЩЦ 1 kut:..^- nfc В -tí fxxz 3':

eCfcl

jij',1

>3

Рис. G. Эпюра напряжений

ПРГГБОРЫ ЗЯЯ. № А (252)

13

Теавшл и ктетруявавяме

ста чес кого контакта ОАП и поверхности образца на - 3% н будет компенсировано вязким акустическим гелем. используемым при контроле.

Результаты расчета

Исходиый данные для расчета взлы на усло-ннм постановки эксперимента и приведены и пняУ ч. I.

В тит. 2 приведены результат ырасче1а среднего расчетного значения МП. действующих в объеме материала балки в поверхностном слое глубиной 0.003 м на базе ОАП ОцОЗ н.,рассч1пан-ного по формуле н 5 > для случаев вертикального к горизонтального расположений образна и в положении ОЛП В и Н согласнорыт.

Результаты измерении

В пы£л. 3 приведены результаты измерений скорости распространения продол ьно-под поверхностной УЗВ, измеренных при помощи ЛУД и ОЛП. в случае вер[ шального и горизоытально-го расположений образца I: в положении ОЛП В н 11 согласно рис.а также соответствующая измерениям температура балки и месье 1: шереннй

В та6,1. 3 также приведены результаты расчета МП. определенных по формуле (I). При расчете коэффициент КУЛС7 принят -5Н ■ Ю9 Па. коэффициент КТСпринят6,69м^сК) исходя из результатов предыдущих экспериментальных исследований.

Результаты р№н^та среднего Значения МН

Рас ИОИЙЛЙ-Н образца ВОИЖШЙК

Полстен ОАП полоие-™* в. ПйПйление Н Паюление а Палалеиче Н

Давлен п*. - О' значение МЫ. 1(1 С^, Па

0 0 0 0 0

25 -65 143. -35 78

50 -130 265 -71 155

75 -1® 426 -106 233

100 -260 570 -142 310

'/'¿ю.тицв 3

Результаты измерений при п им ищи ЛУД и ОАП

фЦДОВДР ГйриЭйн г ал шйё

П ел о*е н не- ОА П Пололи-«; Н

Да а лен не, I Н/мгН ■ 10= СМНХКШ, и* Теымедагу цй, К Нгирнлтгчг, я1(У\ Па СМЧХКт, И/'« Тенмеца^уивк, К На и давен не, т10^, Па

0 5815 295*75 0 5614 295,45 0

25 5ТВ1 295,85 332 5627 295£5 -139

50 5771 295*65 450 5626 29525 -123

75 5770 255*25 417 333 295,35 -175

100 5772 29545 451 5639 29525 -227

РйАйЬГ'МВДаК. ОСрДи^й Нед шкальное гйисхктм обршца

Гйливен № ОА П ПОлйлж ие Н Г(ЛО№|<№ В

Дааленж, |И/м'>- 10= Те-ымецйгу цы, К I |н| цялт 1*«-, *10^, Па ОП№ ЫНС Тение-да^иа, К Нащлшенпе, *ИГ, Па

0 5В69 29575 0 5637 295,35 0

25 5846 295,15 1161 5647 295,35 -95

50 5542 295,15 203 5649 295,45 -126

75 5В36 29575 £21 5651 295,35 -138

100 5В26 29565 311 5659 295,45 -220

ТА

ПРИВДт 2021. № б ДО2)

В mailt. 4 приведены результаты намерений него и горизонтального расположеннй образца задержек поперечных н продольной УШ, изме- и в положении ПОП Bull согласно рис. 3. В репных при помощи ПОП. в случае вертикаль^ пы£л. ^ также приведен ы результаты расчета МН

iiiO.Tld 1^7 т

Результаты измерений при пом ищи ПЭП

пощнщме Гйснэйипиьнйе

ПйЛйлй-н поп ГЬлйле-яче П Поло^нве Q

li/i^J ■ 10я mu ■ лиг«, с 4ii. ilf', С ire. JTIO^. t Ha Г1(т®ий-н uti jrltf. Пн Lv- ■ Jio-'.t bh K1 0Л С irtj. лЮЛ С НИЗШш^ Vtf5. ГЪ

о 6,930 12,^62 12,805 0 6,931 12756 12.S04 0

25 6,929 12.TE2 12,766 11 6,931 12762 12805 16

50 6,929 12.1Ю 12,765 7 6,930 12,766 12,837 32

75 6,926 12,759 12,781 6 6,930 12,766 128Ю7 34

1С0 6,927 12,757 12,779 8 6,930 12,767 12807 38

ПйЛйлй-н Внпмшмк

ПйЛйлй-н ПОП Пйлсииете n Поло^нве a

Дрьпсние, ItyM*! ■ 10s Гщц, u тЮ"1, С L JTIO^, t hta пдое-н пё, itHf, Rj Inu1 жЮ-1, С КЮ"®, с ilO^, С hfa ПЕлЬнй-н в£ я'О5, №

0 13,720 25,444 25,355 0 13,744 2^356 25,3-51 0

25 13,724 25,442 25,394 -20 13,744 2^355 2^374 -10

50 13,720 25,437 25,390 -■7 13,742 25,354 25374 -4

75 13,716 25,434 25,395 -8 13,730 2^353 25369 2

1C0 13,713 25,430 25,359 -5 13,740 25,3-53 25,3-23 5

it.mt.j

J i r

■ л- "" "" P-"

Л'* 1

Ш Ш- - - - *

■ M- ■ 1 "" " " * - Ш. ■ Л л Л №

' —----

Рис. G. Результаты измерений МН при помоцн ¡ПАП (тснки на графике) и результаты расчета МН (пунктирная л«ния на гранке): 1, ■ - горизонтальное гтоложение образца, пол имение ОАП В: 2, А - вертжалыное положение образца, положение ОАП В; 3, » - вертикальное положение образца, положение ОАП Н: 4, * - горизонтальное положение -образца, положение ОАП Н

ПРИБОРЫ. >rtll.

Ttvpuit ¡i KOHCItyjipWMf

сю формуле 1'2}. При расчете коэффициенты КУАС A"/, ff, лрннлы -Al,9 ■ I09 н -3,351 I09 Па соответственно [9|.

Обсуждение

11арис. fS показаны графики зависимое переднего расчетного значения МП. действующих в Объеме материала балки и поверхностной слое глубиной O.OÖj и tu базе ОЛП О,üj м,рассчнтан-ного [к: формуле (S) для случаев вертикального и горизонта! ь по го расположений образца и в положении ОЛП В ir П от величины давления н результаты измерений МП при помощи ОД]] в соответст ву ющнх положени я\.

В табл. 5 приведены значения относительной

I.OI fXJUiiV. I: I: Mil l-pil I.О MO 11 LI: 1 I A] I

ol носительно расчетных значений MIL

lía к видно nïituAt S le и з графиков, представленных ни рис. 6, болылне погрешности измерений M И при помощиОАП соот HCLcrBybOi малым значениям МП. Погрешность при измерении малых значений МП связана с погрешностью средств измерений: Также погрешность может быть вызвана неравномерностью приложения нагрузки li[h: проведении эксперимента; допущениями, связанн ым н с условиям н закреплен ш ба. i-kl[ iCLporo говоря, опоры в испытательном прессе не могут сч1:татьси шарнирными); пренебрежением касательными напряжениями; нарушенн-ем акустического контакта при проведении измерений.

Вое же. можно сказать, что результаты измерена! МП up le помощи ОЛП близки к pac4eL-ь1Ым значениям МП. T^klím образом, подтверждается гипотеза о том, что ОЛП позволяет проводив количественную интегральную оценку

МП. действующих в объеме материала объекте контроля в повер хностно м слое глубиной окою О.ШЗ м Lia соответствующей ña .к используемого раздельно-совмещенного icjieo братов ателя. и при

ширине, соответствующей эквивалентному диаметру прнемниха ОЛП. Что касаемся эквивалентного диаметра lopnemllliка ОЛП. то его зпа-ченне в расчетах Lie учитывалось, поскольку при построении расчетной модели принята l Lino-теза о плоских сечениях.

Результаты измерений МП при помощи ГП>П (пихбл. 4\ не превысили 40 M Па. что может бычь отнесено к погрешности средств измерений, Та-кнм обратом. резуль-tal ы измерений M11 при по-

mo llili П')П i jo. 11 : l>l"l ь bí colveímítcl bv tol pac4il к ым

значениям {ОМПа № всех положениях при любой нагрузке).

Выводы

Проведены испытания ка изгиб содновремен-LibLM измерением МП при помощи ОЛП l: ГГЭП. Составлена соответствующая эксперименту расчетная модель Результаты измерений МП дву-мч методами: при помощи ОАП (интегрально в поверхностном слое материала балки; и при помощи П'!>П i ннтехродь но по толщине 6a_ikli>-показалн удовлетворительную сходимость с расчетнымн значениями МНвсоответствующнх зонах контроля.

Та к Li м обратом, из полученных резуаыатов следует

1} используя одновременно два предложенных метода контроля МП. можно подучить пол-ielw представление о напряненно-деформиро-ванном состоянии чета; 2} с другой стороны. ЕЕмеи представление о схеме натр у жени я объекта контроля, достаточно провести измерения МП в поверхностном слое, поскольку, как было показано, средние значения МП по толщине li по поверхности взаимосвязаны.

CnuLOK .mmejximyphi :

l. ГузьА.Н. МцхартФ., Гуща О.И Нес.пскис е ¿шу-стоупругскть. - К.: Нлуклва драа, 119Т7. 151 с.

'¡Ъп.ънр S

Отнимительная погрешнссть измерений МН

ПйЛйяА< ut oGpaa цр ПйСма in 1ЙЛ hnût йй(п Ътал htiùt

níJílíJüAi Kit ОАП G ПйЛйл£№>£ hl ПйЛйлй! Kit В ПйЛОлАшЁ- h

Дании (НД!3) СПнй&|№Лы<й'А Kj тешиось, *

О 0 0 0 0

25 113 133 166 107

50 5 56 76 31

75 10 2 30 5

100 13 21 55 0

lb

ПРИБОРЬТ. 3021. № 6(¡¡5Í|

Теория и конжруированш

2. Гуеев В. Э.. ßfufi^nor Лщсрнш оптощсш-хв. - М: Няужд, 1991. JJÜ4c.

1. Ьыченок В. А. Лдэерно-ультраэву вовой истод и

СрСДЕТВО КОНТРОЛЯ ОСТЛТОЧНЫК н¿пряжений в иэ-ДГЛН Ж ИТ С ПСЦИ¿Л ЬН LK м ¿тс рн ¿лов / А втореф. дис. ... шшд теин. щук. - СI1б., ül 1.

4. Еелъченко Б. 1С, ЛоНачев А.М., Модестов B.C., Третьяков Д. А.. Штукнн Л.В. Оценка нагтрнгикнно-ДСфОрМИрОВаННОГО СОСТОЯНИЯ методом акустоуп-рупасти гтри циклическом шгружении N Научно-технические ведомости О [б] II V. Фи^ика-м¿тcм¿-тическ ие н ¿у рог. 2U17. fh I.

5. Фрид.чан Я. И. Мео ничеен ие свойства металлов i Lfaft 3-е. пcpcp¿íi. н доп. Н 2-и частя*.. Ч. L. Дсфор-ШЦШ11 разрушение. - М.: М вшиностросннс. 1974. 47>с.

6. Маруaata М.Я., Федоров A.B., Быченок В.А., Беркутов И. В. Оценка влияния внешни*, ф¿ктлpt1 в гтри ультразвуковом контроле н ¿пряжен но-деформ и-рованны\ состоянии // ^E^мcpитeльн¿я теинина.

№11.

7. Никитина И. К. Акустоу пру гость. Опыт практического применения. Н. Новгород L'AJIAM. 2005. Же.

ft. B.Ii. Сопротивление матершлов/ Учеб-

ник дтявутов. НО-еиэд, nepefH.ii. и доп. - М.: Ичд-во MI ТУ им. H.'J. Ьяу*инд, 1999. 59>с.

). Федоров A.B. Ь'-ьгщнлл1 В.А.. Беркутов И.В.. Аяи-фонова И.К. Контроль мс-ьаничсски* н¿пряжений

в толстостен н ых труба* !) Т&нико-телнологичсс-кие проблемы сервиса. 21)30. _Ч'4 {54). С. it-ll.

Алексей В,nkhiMupotiti Федорт. д-р техн. наук. д&цент, факультет тетем уп/ын.птеа и роГнтытехннки.

ФГАОУВО «НИУ ИТМО B.tadit.mtp Анааишьевоч Вычещ/к, канд. техн. наук. зам. директора по на\ ч№>-исс:1ед<н<апк:а*:ким н ааыяточитетруктйрсюш рабмшм. УП Инжене/мо-юмструкторский центр сопроаождет ¡я 3KOL с yü maustн кт'мическон tnextnätu», lfi4tp\, BrndumtpomtH Бе/куток. канд. техн. на укг ругашн>ительг Центр неразрушающего коширасх ООО <>НТЦ «, Эпылон», Нрчж EtseHbetHü .4:пкрашма аспирант.

факультет (ш тем уЯрйЛлетЛ Ji рся'штгтехннкн.

ФГАОУВО «НИУ ИТМО».

х. С.-Петербург, е-та г1: ajedts yandex.ni

УДК" 620.17

КОНТРОЛЬ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ D ТОЛСТОСТЕННЫХ

ТРУБАХ

A.B. Федоров1, В.А, Быченок2, И.В, Беркутов11, U.E. Али фан о в а4

^ АУниверсит&)\ ИТМО, Россия 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр-т. 49

-¿ООО v-ЯТЦ «Эталон», Россия, 197343 Свнхт-Нвтфбург, yet. Xfnmpoca Железняка, 57 лит. А

ДIi ювтропа вг.прга^ннн в пкпктшшх труоа^ предложено н^полыовать йьусги-

чесше м-бтозы нер азрушашщич Егнтро.и. ПроЕ.ез*на гралунровзщ средств ховтро.и акдошчкжнх Hí.nps-здхнн. :.пг С"? a:ms методов sa япкршниншнш oopa.jnïH н эаокрнмЕнтапъные нсизваозаши на трех обращав толстостеввыт; труб.

Ключевые слова: нераз-рунавошин Еовтр-саь. же\аннчесхде нзпрЕ-кевнг. йьтхгнчесЕнн мегси ь.ов-тро.и. упьгрээвз-Е. ммрвзй уштржпуж:

CUNTKUL О J Mb CHAM Lt AL S J KtSS IN ТНК К-WALLED l'Jl'tS

A,Vl Fedorov, VjV Bychenok, I.V. Berkutoy, LE. Atffenova 1ШО IMversity, Russia 197101, St. P&m^barg Kronverksky av, 49 LLC "SIC" Etalon " Russia, 197343, St. Petorsburg, st. Matron Zheleznycór, 57 fit A

Td codttoL TiiwTimiirfli ш duct-wall =d pipes, ir is pTopos-Ei то пае acoustic oe-jods riMtJdiH-

очле teigig1. Calibration of mechanical tires-i control devices. testing of zue-imás od expeiiuceQ^al simpler алй ехрет-imeDia! Studies он ше; iainpte* of thick -walled, pipes uere cimsi out.

EtywarA: Hn-deatriElivE ucechariziL scteb-ms. acousric telling ne-jod LdzasaiLDd. laser ultrar-

ioiind.

напряжений могут быть исполыованы как лпя проверш правильности тгкнх расчетов, так и лля оперативной лиагноешки технического состояния толстостенных труб при эксплуатация и (щницшЕ технологических процессов прн

ШГОТОЕЛеШП!.

Введение

В настоящее время требовашЕЯ к эксплуатационным характеристикам новых образпов технтплЕ постоянно повышаются. При этом первостепенной задачеЕи1 остается обеспечение экс-Елуатанионной ЕЕоежноста. точности изготовления Е1 требований ресурса жонструщнй. В частности, к протволстну толстостенных труб предъявляются высокие требования сохранения геометрических хвраЕщясхЕЕ Егрямалинейно-стп и разно;тенносш. Толстостенные трубы представляют собой тела трубчатоЕ"! формы переменного сечения с внепп-ЗЕМ диаметром 0,2 -0.3 мпры длине более 5 м. изготовленные и: спе-цгальвой стали.

Во многом сохранение геометрических характерЕгстик толстостенных труб при проЕтз-водстве определяется уровнем механическЕК ипдидят которые щакшчвежи невозможна учесть в расчетам, проволш.ьЕ при проектировании. Прямые шмерентЕЕ механически

Конечно-элементно е моле л про bíihieí Для опенки влтеншя уровня механиче-ckeix напряжений. действующих в материале толстенных труб, на сохранение те прямолинейности было проведено конечно-элементное моделирование. Трехмерная модель толстостенной трубы, расположенная на двух опорах нагружалась распределенноЕ! по поверхности нагрузкой F в осевом напргв лении ло возникноьенил в теле модели несбаланстфованньЕ мехашЕчесЕдк напряжений der — и„ — ат {где tjm - вели-чига механических напряжений в диаметрально-противоположных точках сечешЕЯ

'Фйдорое АшшюлА Бла0имиробич-дохтор wiemvtecnvx Hí^tc, öoifWKm факультета систем управленияробо-w¡ üWií.THiivn ml: +-79119251836Í, «-.vail: q/bdaJÍ2(¿$>ar<dn rr_~

-Бычвнок Владимир Лхатолъйвт - кандидат технических хаух, зачгглацтв-.ть директора по HUGKF, тел.: +7 911 K1-I5-DD, Huait ^tAfjMt-vJidiw^iiallJi;

'jSffjPKjTiroe Пгоръ Владимирович - руководитель- центра технологий уеразрушающего контроля-хачалькик отдела, тел.: +7 904 e-mail: bert.n j.mai!.ru:

'Лтифаяога ИринаЕаапяжвив- аспирант, тел.: -1 904 556-40-72, e-mail: ¿ipmil.ru

26

СПбГЭУ

Коню^юль механических напряжений в толстостенных трубах

толсгосгганм труйлХ которьк являлись причиной возникновения е модели толстостенной трубы отклонения от прямоликеЕшости ¡.. На ри-с\же 1 приведена зависимость величины откто-нения от прямолинейности £ от вивнныы несбалансированных механических напряжении Аа.

я*тГ 1«

I в о*

| —

| [и

н1 (Ь -—■

О Ц 30 Н 4 9 Ц Ц Е4 Н 1ПЙ НС- 120 I Я!»

Рнс'.-вое 1 -Грпфпк заыгсвиоетп вй.тпчены от^ювенпя от прлм-олввепв^тв -зтЕбшчпны

.тл.в£пров.шеъи ■ннгнскп зпп]:я.к-=-ззй. по.тучгЕньсп с псою-ш ею ив(. ■■ ишнапои

ЫСЛ-бЛПр-ОВЛНПЛ

Из графика, прЕзвеленного на [жсунке 1. видно. чтовеличина отклонения от прямолинейности модели толстостенной трубы достигает значения 0.3 мм прЕ1 выигчине несбаланстзраван-ных механическЕзх п^пвга около 70 МПа.

Методы контроля иехапнческнх

ил пряжений

Аважнз существующих методов и средств контроля шэишнесхвх налряжешш показал: что большинство методов имеют ограничения б решении задачи контроля механических напряжений в толстостенных трубах. связанные со сиедуящнмя фактсра.мы:

- отсутствие аппарата вычисления механических ншр&кений (в данный момент реализуются вычисления в условных единицах: например, в магнитных величинах и др.);

- невозможность выполнять ЕззмеренЕзл на реальных ось епах (например, выполнить изме-решзя мехнничесызх напряжении с помощью нейтронного ускорителя можно лишь на образцах с определять:™ габарЕпными размерами):

- Етзмерение напряжений 3-го рода, что не характеризует уровень механических напряжении в объеме, погоняющей опенЕпъ вероятность деформации объекта контроля при механической обработке.

Для контроля меяанпческЕЕХ напряжении в толстостенных трубах бьпо предложено езе-пользовать следующие методы:

- ультразвуковой метод с генергшей двух взаимно-поляризованных поперечных и одной продельной ультразвуковых волн [1, 2]. позволяющий контролировать двухосное

напряженное состояние интегрально по тол-пшне прозвучиваемого изделия:

- лазерно-ультразнуковой метод с генерацией головной подповерхностной волны [3. 4]. поэволянжций контролировать одноосное напряженное состояние в подпоьерхностном слое на базе 30 мм.

Для контроля мехшнческих напряжений в толстостенных трубах ультразвуковым методом использовался лвухканальныи учьтразвуко-вой дефектоскоп в комплекте с трехкомпоненл-ным пьезозлекгрЕзческим преобразователем (ПЭЦ) (рисунок 2). объединяющим в своем корпусе три пьезоэдемента и позволяющим генерЕ!-ровать ы прзппыатъ две взаизшо-полярызован-ные поперечные и продольную ультразвуковые волны, распространяющиеся по толшике прозвучиваемого объекта. Комплект средств ультразвукового контроля обладает компактностью. гибкостью программного обеспечения п позволяет оценивать амплитудные. временные и частотные характеристики принимаемых СЕПна-лов.

а) б)

Резеунок 2 — Комплект ср-ел-гтв ультразвукового копт ролл. а) — лв'ц'хканальный ультразвуковой дефектоскоп б) - треккомшненгньш ГЮП

Для контроля мехлшгаескихнапряжешш в толстостенных трубах лазернс-уж.тразЕуко-ным методом использовался лазерно-ультразву-ковоы дефектоскоп, разработанный в Международном лазерном пентре МГУ езм. М. Б. Ломоносова в комплекте с разлельно-савмешеккьЕМ оашзко-акуспзческим преобразователем (ОАГГ) с базой измерешш 30 мм (рисунок 3).

Преимущества лазерно-ультразвукового метода контроля механических нгиряжении состоял в следующем:

- высокое ратрешешзе проводи?,ьех измерешш во временной области благодаря мопшым и коротким апериодическим ультразвуковым СЕПндлам. генерируемым с помощью лазерного возбуждения:

- высокая точность измерений скорости ультразвуковых волн (относЕгтельная погрешность не более 1%. повторяемость 1-2 м;с) благодаря шнролсполосносш и малой длительности (70 - £0 не) термооппзчесш возбуждаемых акталгческнх импульсов.

ТЕХШКО-ТЕХ1ЮЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СЕРВИСА №4(54) 2020

27

3. ЬьгчеиоЕ.. В .А. Еажтропь осгаготаьг^ нлцнхип в оеслопсенов J0H-5 сварвоге пзва. [В.А Бычетоз: И.В. БйрЕутчэв. АЛ. Майоров. А.В íítbhiB.B jfaps-еим.В.Е Щншрш^ЫЛЧЕицш] ВмпргНл - 2ЕЮ7 - УЬ 13 - C.5Ü-5Í

А. Kaiabutov A.A. DereinuiaTi-Mi ofurdisiaL s-tres-tE-* ш stEel sxuctujes Ъу the laser-ultrasonic niethod [А_А_ Ка-labutav, N.B. Ptadpnura, E.B Cherepecstaya] Jauna]

of Applied MEcaa:iics and. T« hnical Physics - M A I К Nauta - lD:erpe:iodica (Russian FEdeiaii-Mi), 2017 -Val ía. No.3 - pp. 503-310. -UDC 514.211; 5Î4.0S. 5. ■CBHj-srsrn.c.rBC' ос аггестйпвн mítídhkh ¡метода) шхереннв КвЗй-21.11.201S-0U00276-201J Шето-ZEU.n пмереннн ш i ■!■ 1111111 напряжений в метал-шчесзз^ конструкциям пзерт-упЕлршуЕовын моголом»