Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Физико-технические основы совершенствования средств автоматизированного бесконтактного ультразвукового контроля листового проката

Специальности: 01.04.06. - Акустика

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

Кириков Андрей Васильевич

Санкт-Петербург - 2006

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете "ЛЭТИ" имени В.И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Аббакумов К.Е.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Сидоренко В.М.

кандидат технических наук Ромашкин С.В.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный университет путей сообщения имени акад. С.В. Образцова

Защита состоится "____" _____________ 2006 года в "____" часов на заседании диссертационного совета Д 212.238.06 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" имени В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "____" ___________ 2006 года.

Ученый секретарь диссертационного совета З.М. Юлдашев

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Традиционной сферой широкомасштабного применения средств автоматизированного ультразвукового контроля является индустрия производства листового проката - самого массового продукта металлургической отрасли. Ежегодно в мире производятся сотни миллионов тонн стальных листов ответственного назначения. Современные требования к физическим свойствам, диапазону температур, условиям и скорости перемещения проката в процессе его производства, а так же к объемам, производительности, плотности, чувствительности, достоверности и информативности ультразвукового контроля, в ряде случаев уже не могут быть обеспечены методами и техническими средствами, базирующихся на применении пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП). В этих условиях особое значение приобретают фундаментальные и прикладные исследования, направленные на создание и развитие альтернативных методов и средств получения информации об измеряемых параметрах и качестве объекта контроля.

Весьма перспективным направлением повышения возможностей и информативности ультразвуковых методов является использование бесконтактных, электромагнитно-акустических преобразователей (ЭМАП). ЭМАП - это прибор, позволяющий, как и ПЭП, возбуждать и принимать ультразвуковые колебания. Однако, в отличие от ПЭП, ЭМАП не нуждается в контактной жидкости: электромеханическая связь с объектом контроля обеспечивается с помощью явлений, имеющих электромагнитную природу. Ввиду того, что способ непосредственного преобразования электромагнитных волн в упругие колебания на границе электропроводящих сред не требует никакой промежуточной среды, метод принято называть бесконтактным. За период бурного развития бесконтактных методов, - примерно с начала 70-х годов прошлого столетия, как теоретико-экспериментальные представления о свойствах и закономерностях работы ЭМАП, так и практический опыт их применения испытали весьма значительную эволюцию.

На сегодняшний день, благодаря работам многочисленной группы отечественных и зарубежных ученых, как, например: Б.А. Буденков, Г.А. Буденков, А.Н. Васильев, Н.П. Гайдуков, Н.А. Глухов, С.Ю. Гуревич, И.В. Ильин, В.А. Комаров, А.В. Малинка, О.В. Неволин, Ю.В. Петров, Ю.И. Сазонов, А.В. Харитонов, П.Ф. Шаповалов, Ю.М. Шкарлет, С.Н. Шубаев, B. Kaule, R. Dobbs, P. Larsen, J. Houck, K. Kawashima, H. Frost, R. Thompson, D. Meredith, B. Maxfield и др., созданы основы физических представлений о формировании и действии наиболее существенных механизмов электромагнитно-акустического преобразования в металлах с учетом различия в физических параметрах проводящих сред, уровнях магнитного поля, а также других особенностей.

Методы бесконтактного ультразвукового контроля открыли принципиальную возможность, частично уже реализованную в действующих устройствах, решения задач контроля изделий с повышенной температурой, с загрязненной поверхностью и во время технологических операций, не допускающих применения веществ с повышенной агрессивностью по отношению к материалам контролируемых изделий. Однако уровень сложности и многообразие решаемых при изучении и создании ЭМАП задач оказался столь высоким, а открывающиеся при этом перспективы столь значительными, что результаты, достигнутые в данной технической области, не могут представляться исчерпывающими.

Настоящая работа является продолжением развития теории и методики инженерного проектирования средств неразрушающего контроля с использованием ЭМАП. В работе получили дальнейшее развитие теория полевых закономерностей и способы обработки сигналов, характерных для функционирования автоматизированных дефектоскопических систем с повышенной информативностью.

ультразвуковой контроль листовой прокат

Объектом исследования являются бесконтактные методы и средства неразрушающего контроля металлоизделий плоской формы при повышенных температурах в условиях современного промышленного производства листового проката.

Целью диссертационной работы является создание высокоинформативных многоканальных дефектоскопических комплексов для автоматизированного высокотемпературного ультразвукового контроля листового проката для эксплуатации в условиях промышленного производства на основе бесконтактного (ЭМА) способа возбуждения и приема упругих волн.

Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:

разработкой моделей эффективного согласования излучающих катушек ЭМАП с передающим устройством;

разработкой моделей эффективного согласования приемных катушек ЭМАП с электронными устройствами приемного тракта;

исследованием дополнительных возможностей стабилизации полевых характеристик ЭМАП при возбуждении поперечных волн;

обоснованием повышенных информативных возможностей поперечных волн, в том числе при их взаимодействии с плоскостными, протяженными неоднородностями металлургического происхождения в листовом прокате;

разработкой положений инженерной методики проектирования многоканальных информационно-измерительных систем промышленных дефектоскопов;

обоснованием возможности и формулированием рекомендаций при решении задач повышения информативности ультразвукового контроля в условиях промышленного производства.

Методы исследования. Теоретические исследования, направленные на решение сформулированных задач, осуществлялись методами теории цепей, математической физики и анализа, системного анализа, теории алгоритмов и сигналов. Экспериментальные исследования проводились в условиях натурного и компьютерного моделирования исследуемых процессов и систем с последующей обработкой результатов на основе методов теории вероятностей и математической статистики с использованием современных программных сред. Достоверность полученных теоретических результатов оценивалась путем их сопоставления с данными экспериментов, а также более простыми частными случаями, известными по более ранним исследованиям и доказательствам установленной корректности.

Новые научные результаты:

1. Сформулирована и решена задача определения величины тока, питающего излучающую катушку (ИК) ЭМАП, с учетом многообразия схемотехнических решений и действующих основных параметров датчиков и электронных устройств. Доказана эквивалентность (с точки зрения максимизации значения указанного тока) прямого, трансформаторного и автотрансформаторного способов подключения ИК ЭМАП к генератору зондирующих импульсов.

2. Установлены связанные с изменением полевых характеристик ЭМАП закономерности, возникающие при варьировании величины рабочего зазора. Теоретически исследовано влияние конструктивных элементов ЭМАП на амплитуду и направленные свойства основных и дополнительных типов излучаемых волн. Сформулированы рекомендации по выбору конструктивных параметров ЭМАП, обеспечивающих стабильность измерительного тракта и минимизацию уровня помех, обусловленных наличием "паразитных" волн.

3. Сформулирована и решена задача оптимизации характеристик приемной катушки (ПК) ЭМАП при регистрации информационного импульсного сигнала с учетом влияния согласующих цепей.

4. Физически обоснованы, с учетом граничных условий в приближении "линейного скольжения", применительно к задаче о взаимодействии упругих волн с плоскостными, протяженными неоднородностями, причины преобладания выявляющей способности упругих поперечных волн по сравнению с продольными. Обоснована целесообразность применения "многоракурсного" прозвучивания" изделий плоской формы.

5. Осуществлен анализ уравнения акустического тракта дефектоскопа с ЭМАП, имеющих рабочую зону прямоугольной формы, возбуждающих и принимающих, преимущественно, линейно поляризованные поперечные волны, применительно к традиционным методам ультразвукового контроля и их модификациям. Установлены закономерности, возникающие при изменении параметров взаимного расположения излучающего и приемного ЭМАП при конфигурации, соответствующей теневому методу ультразвукового контроля.

6. Разработаны алгоритмы компенсации изменений обусловленных влиянием температуры объекта контроля в параметрах принимаемых сигналов при осуществлении ультразвукового контроля листового проката.

7. Разработаны структурные и функциональные схемы многоканальных промышленных дефектоскопов с ЭМАП, а также алгоритмы вспомогательной обработки информационных сигналов для осуществления ультразвукового контроля с повышенной информативностью и улучшенными эксплуатационными характеристиками.

8. Предложен и методически разработан информативный признак ультразвуковых измерений на основе связи механических характеристик металла с отношением скоростей распространения поперечных волн, поляризованных вдоль и поперек направления проката листового материала.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в применении полученных результатов для:

научно-технического обоснования инженерной методики проектирования многоканальной аппаратуры бесконтактного ультразвукового контроля с учетом физических особенностей возбуждаемых и принимаемых ЭМАП упругих волн, а так же спецификой несплошностей в листовом прокате;

создания и промышленной эксплуатации нового поколения высокоинформативных средств ультразвукового бесконтактного контроля листового проката.

На основании закономерностей, изученных в диссертационной работе, созданы, сертифицированы Госстандартом РФ и внедрены в промышленную эксплуатацию более тридцати единиц оборудования для автоматизированного бесконтактного ультразвукового контроля листового, сортового проката и труб.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Основными факторами, влияющими на величину тока, питающего датчики электромагнитно-акустических преобразователей (ЭМАП) в режиме излучения, следует считать набор и физические параметры элементов, определяющих эффективность подключения ЭМАП к генераторному устройству. В частности, соотношение параметров накопительного и вспомогательных элементов обеспечивает оптимизацию длительности импульса возбуждающего тока. При этом, прямой, трансформаторный и автотрансформаторный способы подключения ЭМАП к генератору следует считать равнозначными.

2. С целью ослабления зависимости направленных свойств излучающих катушек (ИК) ЭМАП прямоугольной формы от неравномерности распределения вихревого тока в активной зоне необходимо увеличивать размер намотки в направлении, ортогональном протеканию тока, ограничивая при этом рабочий воздушный зазор и площадь ИК ЭМАП.

3. Для обеспечения наибольшего коэффициента передачи приемных катушек ЭМАП, при условии обеспечения минимальных искажений формы импульса, целесообразно использование согласующих цепей с резонансными свойствами. При этом "оптимальное" число витков ПК, равноразмерной ИК, можно выбирать значительно (во многих случаях на порядок) превышающим число витков ИК.

4. При разработке конструкции измерительного модуля и выборе схемы взаимодействия упругих волн с неоднородностью следует отдавать предпочтение более информативному "многоракурсному" прозвучиванию" при согласованной ориентации смещений упругих волн (поляризации) относительно направлений прокатки листовых изделий.

5. При выборе структурных вариантов и схемотехнических решений дефектоскопической аппаратуры следует сочетать комплексное применение элементов согласования ИК и ПК ЭМАП с методами накопления, активного подавления импульсной помехи и динамического контроля временных интервалов. Это создает предпосылки для повышения чувствительности бесконтактного ультразвукового контроля металлических листов и плит до уровня, обеспечивающего его промышленную эффективность.

6. При определении степени равномерности механических свойств листового металла в качестве измеряемого информативного параметра целесообразно использовать отношение скоростей поперечных волн при их поляризации в параллельном и перпендикулярном направлениях относительно направления прокатки.

Реализация результатов исследования осуществлена на ОАО "Северсталь" (г. Череповец и г. Колпино, Ленобласть), ОАО "Волжский трубный завод" (г. Волжский), ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат" (г. Магнитогорск), ОАО "Уральская Сталь" (г. Новотроицк), Алчевский металлургический завод (г. Алчевск, Украина), ОАО "Мечел" (г. Челябинск), Унитарное предприятие "Белорусский металлургический завод" (г. Жлобин, Беларусь) и др.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и обсуждены на: Международной выставке-семинаре "Современные проблемы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики", Ялта. 6-8 октября 1998 г; Международной научно-технической конференции "Инфотех-99", Череповец: ЧГУ, 1999; ХIII межвузовской военно-научной конференции, - Череповец: ЧВИИР, 1999; 15^th Wordl Conference of Non-Destractive Testing, Rome, Italy, October15-21, 2000; Ежегодной научно-практической конференции "Инновационные процессы в производстве труб для нефтяной и газовой промышленности на примере Трубной металлургической компании, г. Волжский, 10 - 11 ноября, 2001 г.; Х1 международной конференции "Диагностика линейной части магистральных газопроводов "Диагностика - 2001", Тунис, апрель 2001,; 8^th European Conference of Non-Destractive Testing, Barcelona, Espany, Jyne17-21, 2002.; 3-й Международной выставке и конференции "Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности", Москва, март 2004.; 16^th Wordl Conference of Non-Destractive Testing. - Montreal, Canada, August 30 - September 3, 2004.; ХVII Российской научно-технической конференции с международным участием "Неразрушающий контроль и диагностика", г. Екатеринбург, 5-11 сентября 2005 и др.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 50 научных работ, из них - 21 авторское свидетельство и патент, 12 статей, 17 работ в трудах научно-технических конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованной литературы, включающего 255 наименований и двух приложений (технические характеристики дефектоскопов и акты о внедрении). Основная часть работы изложена на 158 страницах машинописного текста и содержит 67 рисунков и 6 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, определены ее цели и решаемые задачи. Сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе представлены результаты критического анализа итогов развития и современного состояния теории и технических средств бесконтактного (электромагнитно-акустического) возбуждения и регистрации упругих волн применительно к задачам ультразвуковой дефектоскопии металлоизделий, преимущественно плоской формы. Раздельно рассмотрены достижения в области физических основ бесконтактного возбуждения и приема упругих колебаний, результаты решения волновых задач для оценки полевых характеристик, а также свойства и предельные возможности широко распространенных и оригинальных аппаратных средств бесконтактного ультразвукового контроля. Результаты критического анализа трансформированы в комплекс сформулированных научно-технических задач, решенных в ходе выполнения диссертационной работы.

Во втором разделе изложены теоретические основы повышения эффективности электромагнитно-акустического преобразования для целей ультразвуковой дефектоскопии изделий плоскостной формы. Раздельно для режимов: излучения, распространения упругих волн и приема разработаны математические модели образования информационных сигналов, закономерности которых положены в основу рекомендаций по проектированию многоканальных бесконтактных дефектоскопических систем.

При рассмотрении вопросов генерации на основе теории электрических цепей изучены особенности работы излучающих катушек ЭМАП в режимах прямого, трансформаторного и автотрансформаторного включения в формирующий контур, входящий в состав ключевого генератора. Получены в явном виде выражения для напряжений на формирующих элементах контура и токов, питающих излучающие катушки ЭМАП. Указанные выражения проанализированы в зависимости от значений параметров ЭМАП и элементов электронного генератора.

Рис. 1

В частности для относительной величины тока, протекающего через ключ (рис. 1) показано, что с уменьшением добротности падает длительность импульса тока, протекающего через электронный ключ и "возбуждающего" колебательный контур, его форма становится менее пологой, что ухудшает режим работы электронного ключа. Существенной особенностью работы рассмотренных схем является то, что в момент прекращения протекания тока через "ключ", напряжение на колебательном контуре не равно напряжению на накопительной емкости . Поэтому возникает скачок обратного напряжения на контуре и на разрядной емкости . Значения этих величин, соответственно, в момент прекращения импульса тока через ключ для разных значений добротности приведены в таблице.

Таблица

1	-0.365 Еп	-0.132 Еп
5	-0.520 Еп	+0.206 Еп
10	-0.560 Еп	+0.330 Еп
20	-0.579 Еп	+0.426 Еп
?	-0.600 Еп	+0.600 Еп

Образование скачка на аноде "ключа" усложняет режим его работы, создавая условия для срабатывания за счет эффекта . На рис.2, 3 в качестве примера представлены графики зависимости относительной величины тока и напряжения на контуре, начиная с момента начала протекания импульса тока через ключ. Параметром кривых является добротность (10 - сплошная линия; 5 - пунктир; 2 - штриховая линия). Видно, что с уменьшением добротности колебательного контура имеет место уменьшение амплитуды напряжения на контуре, а также амплитуды тока, протекающего через индуктивность. Кроме того, с уменьшением происходит уменьшение длительности импульса напряжения и тока.

Рис.2

Рис.3

Применительно к вариантам трансформаторного и автотрансформаторного включения датчиков ЭМАП на основании данных численного расчета установлено, что ни один из них не обладает преимуществом с точки значения зрения тока, протекающего через ИК ЭМАП. Решение о выборе способа включения ИК следует принимать с учетом обстоятельств, связанных с особенностями конструктивного исполнения самих излучающих катушек и особенностей их подключения к электронному устройству.

При исследовании режима приема рассмотрено прохождение импульсного сигнала от приемной катушки ЭМАП через согласующую цепь. Получены в явном виде выражения для импульсного сигнала во времени, и проанализированы с целью определения зависимости этого сигнала от параметров согласующей цепи. Показано, что выходной сигнал согласующей цепи представляет собой суперпозицию двух сигналов с разными частотами. Это определяет явление ограниченного роста амплитуды принимаемого сигнала при увеличении числа витков приемной катушки. Кроме того, чрезмерное увеличение числа витков вызывает нежелательное возрастание длительности принимаемого сигнала. Получены соотношения, позволяющие оптимизировать амплитуду и длительность принимаемых сигналов за счет выбора числа витков ПК, по которым следует ограничивать количество витков приемных катушек сверху.

При анализе полевых характеристик ЭМАП предложен подход, связанный с применением моделей источников поверхностных сил, имитирующих условия преимущественного возбуждения волн разных типов, в зависимости от геометрии катушек и конфигурации поляризующего магнитного поля. Показана корректность использования таких моделей для случаев, когда длина упругой волны существенно превышает глубину проникновения вихревого тока в металл (толщину "скин-слоя"), а так же для анализа полевых характеристик в дальней зоне преобразователей. Получены в явном виде и проанализированы выражения для компонентов вектора упругих смещений, возбуждаемых плоской системой витков, образующих прямоугольную форму активной зоны, при "нормальной" к поверхности и "параллельной" ориентации вектора магнитной индукции. В качестве примера на рисунках 4, 5 и рисунках 6, 7 представлены характеристики направленных свойств ЭМАП, излучающих, преимущественно, поперечную (рис.4) и продольную (рис.6) волны. Оба преобразователя одновременно излучают волну другого типа (т. н. "паразитную" волну), отличающуюся от основной волны уровнем излучения и направленными свойствами (рис.5 и рис.7, соответственно). Численные данные приведены для ЭМАП с размером прямоугольной, активной зоны 7,5Ч7,5 мм на рабочей частоте 1 МГц.

Рис.4 Рис.5

В частности отмечено, что поле упругих смещений ЭМАП с преимущественным возбуждением поперечных волн отличается большей неравномерностью распределения в пространстве по сравнению с преобразователем, возбуждающим преимущественно продольные волны.

Рис.6. Рис.7

Это, с одной стороны, является обстоятельством, усложняющим использование таких ЭМАП для целей, например, ультразвукового контроля, а с другой стороны, создает предпосылки для повышения информативности ультразвуковых измерений, использующих эффекты поляризации поперечных волн. Кроме того, направленные свойства ЭМАП оценивались с учетом неравномерного характера распределения плотности вихревых токов в активной зоне ЭМАП.

Было показано, что эффект начинает заметно сказываться на направленных свойствах при значительных зазорах, вызывающих сильное общее уменьшение эффективности прямого преобразования. Однако для стабилизации сигнала от влияния зазора целесообразно увеличивать ширину намотки в направлении, ортогональном направлению протекания вихревого тока.

По результатам вычислений, учитывающих неравномерное распределение плотности вихревых токов в активной зоне ЭМАП, а также данных численного моделирования предложены рекомендации по выбору значений параметров преобразователя с повышенной стабильностью информационного сигнала.

В третьем разделе рассмотрены физические модели взаимодействия упругих волн с несплошностями, наиболее характерными для листового проката. Разработанные модели позволяют обосновать различия выявляющей способности объемных продольной и поперечной волн. Сформулирована задача и получено ее решение для случая прохождения плоской поперечной волны через плоский упругий слой между двумя упругими полупространствами при наличии граничных условий в приближении "линейного скольжения". При использовании формализма "матрицы переноса" получены уравнения для определения коэффициентов отражения и прохождения в случае произвольной системы из n слоев. Для частного случая единичного слоя получены выражения для коэффициентов отражения и прохождения в явном виде. Полученные выражения исследовались численно для случая графитовой прослойки (₂=2.2510³ кг/м³; с_l2=1.1810³ м/c) в стали (₁=7.8010³ кг/м³; с_l1=3.2310³ м/c). Для сопоставления на рис.8-13 представлены зависимости коэффициентов прохождения и отражения поперечной волны от волновой толщины слоя при разных сочетаниях нарушения степени жесткости связи на границах.

Рис.8

Рис.9

При анализе выражений для коэффициентов отражения и прохождения показано, что абсолютные значения коэффициентов отражения и прохождения зависят от порядка следования слоев, что вызывает необходимость осуществления "многоракурсного" прозвучивания при организации операций контроля. Кроме того, значения коэффициентов отражения и прохождения зависят от поляризации поперечной волны. Этот вывод сделан на том основании, что соответствующие аналитические выражения включают в себя два компонента тензора контактной жесткости, ответственных за передачу упругих смещений через систему слоев. Это определяет повышенную выявляющую способность поперечных волн по сравнению с продольными волнами. Зависимости коэффициента отражения - (рис.8,10) и прохождения - (рис.9,11) поперечной волны при нормальном падении от волновой толщины графитовой прослойки в стали построены при различных сочетаниях параметров жесткости связи на границах: рис. (8,9) - () - идеальная прослойка со “сварным” контактом на обеих границах; ( - ) - ”полужесткий” контакт (KGТ₁=10¹⁴ Н/м³, KGТ₂=10¹⁶ Н/м³); () - ”полужесткий” контакт (KGТ₁= 10¹⁴ Н/м³, KGТ₂=10¹⁶ Н/м³) при наличии потерь (=0.2).

Зависимости коэффициента отражения - (рис.10) и прохождения - (рис.11) поперечной волны построены при волновой толщине графитовой прослойки (kd=/2) в стали при изменениях угла падения при различных параметрах жесткости связи на границах: () - идеальная прослойка со “сварным” контактом на обеих границах; ( - ) - ”полужесткий” контакт (KGТ₁=10¹⁴ Н/м³); () - ”полужесткий” контакт (KGТ₂=10¹⁴ Н/м³).

Рис.10

Рис.11

В четвертом разделе представлены результаты определения параметров ультразвукового контроля при аналитическом и эвристическом подходах. При аналитическом моделировании электроакустического тракта теневого метода контроля исследовалась зависимость амплитуды информационного сигнала от точности позиционирования датчиков акустической системы. В явном виде получено аналитическое выражение для относительного значения напряжения на приемной катушке ЭМАП в зависимости от параметров, характеризующих смещение и поворот приемного датчика относительно излучающего. Характер найденных зависимостей иллюстрируется графиками на рис.12 (а, б), где приведены результаты численных оценок относительного уровня сигнала в зависимости от относительной толщины листа Z, а также от параметров смещения и поворота ИК и ПК друг относительно друга и соотношения размеров сторон ИК и ПК.

Нормированная зависимость "теневого" сигнала на бездефектном участке приведена на рис.12- (а) при следующих условиях: размеры активных зон ИК и ПК ЭМАП одинаковы (15Ч15 мм); рабочая частота =1.0 МГц [ (Ї) - смещение и поворот отсутствуют; (---) - смещение равно 7.5 мм по обеим осям, поворот отсутствует; ( - Ї) - угол поворота равен , смещение отсутствует; ( - •) - смещение равно 7.5 мм, угол поворота равен ]. На рис.12- (б) представлены аналогичные зависимости, характеризующие влияние неравномерности распределения вихревого тока в активной зоне ЭМАП (пунктир) по сравнению с равномерным распределением (сплошная линия). Отметим, прежде всего, немонотонный спад полезного сигнала с расстоянием, что объясняется интерференционными явлениями, происходящими в акустическом тракте. Поворот и смещение ИК и ПК ЭМАП друг относительно друга оказались факторами одинакового масштаба по воздействию на результирующий сигнал.

Несмотря на сложный характер возникающего акустического поля воздействие этих факторов заметно, но не слишком велико и вызывает вариации сигналов в пределах нескольких децибел, что в целом меньше флюктуаций сигнала под влиянием изменений зазора. Вместе с тем, это позволяет существенно упростить требования по сравнению с проектированием многоканальных акустических систем с пьезоэлектрическими преобразователями, для которых существенной проблемой является соблюдение компланарности пьезоэлементов. Аналогичные зависимости свойственны ЭМАП, возбуждающим и принимающим преимущественно продольные волны.

а) б)

Рис.12

Значительный интерес для совершенствования методик инженерного проектирования современных средств неразрушающего контроля представляет разработка способов коррекции параметров настройки аппаратуры при ультразвуковом контроле проката в широком температурном диапазоне. Для этого произведен ультразвуковой контроль и осуществлен сравнительный анализ его результатов для партии из более 3000 листов толщиной от 8 до 40 мм. Контроль каждого листа осуществлялся дважды: сначала с помощью установки "Север-6-08-5000" - при температуре проката до 650С, и затем, после остывания листов до температуры ниже 30С, на установке "Север-10-5000".

Выполненные исследования показали, что результаты контроля листов при температуре поверхности от 100С до 300С практически не отличаются от результатов, полученных при контроле листов в холодном виде. В то же время при прозвучивании листов с температурой от 300С до 650С отмечается более высокий уровень перебраковки. Анализ этой ситуации показал, что существует, по крайней мере, две причины перебраковки листов при их контроле в горячем состоянии:

изменение времени прихода стробируемых сигналов из-за уменьшения скорости распространения поперечных волн с увеличением температуры;

изменение чувствительности контроля с повышением температуры.

Наибольшее влияние на результаты УЗК горячего проката оказывает изменение физических условий образования и распространения поперечных волн в металле. В частности, с увеличением температуры металла от 25С до 650С на 16% падает скорость распространения поперечных волн и увеличивается коэффициент затухания поперечных волн (на частоте 5 МГц затухание изменялось от 7,2 дБ/м до 10,9 дБ/м). Уменьшение скорости распространения поперечных волн с ростом температуры, как и естественное увеличение толщины листа, оказывают существенное влияние на время прихода принимаемых сигналов. Это явление может привести к ложной регистрации дефектов в результате попадания донного сигнала в стробируемую временную зону, предназначенную для приема сигналов, отраженных от дефекта. Для учета вариаций времени прихода информативных сигналов при значительных изменениях температуры проката был разработан специальный алгоритм автопозиционирования стробов. В установке "Север 6-08-5000" этот алгоритм действует независимо для каждого канала ультразвукового контроля.

Анализ величин информационных сигналов, полученных при прозвучивании образца с дисковым отражателем при комнатной температуре, проводился в сравнении с сигналами, полученными при температуре поверхности 650^пС и таком же усилении. Было показано, что при увеличении температуры время прихода эхо-сигналов увеличилось (скорость распространения поперечных волн уменьшилась), а их амплитуда заметно возросла, причем не пропорционально: первый донный возрос на 5 дБ, а эхо-сигнал во втором интервале - почти на 15 дБ. При исследовании листов с расслоениями было показано, что с увеличением температуры проката в той же степени возрастает амплитуда эхо-сигналов отраженных от естественного дефекта.

Таким образом, несмотря на увеличение затухания ультразвука в металле при повышенной температуре, амплитуды эхо-сигналов от естественных дефектов и искусственных отражателей, а также амплитуда опорного донного сигнала увеличиваются, что, в основном, и приводит к повышению уровня перебраковки листов. Обнаружение указных закономерностей позволило сформулировать алгоритм коррекции порогов срабатывания в дефектоскопической аппаратуре и реализовать его на установке "Север-6-08-5000".

В пятом разделе рассмотрены вопросы реализации методики инженерного проектирования при создании новых поколений средств высокоинформативного автоматизированного контроля. В частности изложены элементы усовершенствованной технологии изготовления излучающей и приемной катушек ЭМАП, отдельные технические решения которых защищены патентами. Рассмотрена в качестве примера структурная схема дефектоскопической аппаратуры многоканальных установок типа "Север". В качестве перспективных направлений повышения чувствительности и помехозащищенности промышленных дефектоскопических систем в работе предложены алгоритмы вариантов когерентного и некогерентного накопления сигналов, метод вариации периода посылок зондирующих импульсов, способ динамического контроля временных интервалов. Дополнительные возможности повышения информативности ультразвуковых измерений связываются с применением поперечных волн, возбуждаемых с помощью ЭМАП, и имеющих различные поляризационные характеристики (рис.15,16).

Рис.15 Рис.16

В работе предложен и методически обоснован новый информативный признак, основанный на обнаруженной связи между скоростями распространения поперечных волн с поляризацией вдоль и поперек направления прокатки листов (значением их отношения) с механическими характеристиками материала (предел упругости, текучести, прочности и др.), что позволило предложить акустический метод измерения предела прочности и предела текучести, как альтернативный метод. Результаты проведенных исследований позволили сформулировать рекомендации по проектированию электронных измерительных устройств, допускающих измерение в автоматических режимах времени прихода информационных сигналов двух преобразователей, ориентированных вдоль и поперек направления проката, и установке их совместно с измерительными трактами по обнаружению дефектов.

В заключении сформулированы основные результаты, достигнутые в ходе выполнения диссертационной работы, и намечены перспективы дальнейших исследований по повышению информативности контрольных и измерительных операций на базе расширенного внедрения бесконтактных и альтернативных способов возбуждения и приема упругих волн ультразвукового диапазона.

По теме диссертации опубликованы следующие основные работы

1. Пат. РФ № 2219539/А.В. Кириков, А.Н. Забродин, А.Ю. Смирнов, Н.В. Калачев, Ю.Г. Носов. Электромагнитно-акустический преобразователь; Опубл. 20.12.2002. Бюл. № 35.

2. Пат. РФ № 2206888/А.В. Кириков, А.Н. Забродин, А.Ю. Смирнов. Электромагнитно-акустический преобразователь; Опубл.28.06.2003. Бюл. № 17.

3. Пат. РФ № 2219540/А.В. Кириков, А.Н. Забродин, А.Ю. Смирнов, В.В. Пашнин, Ю.Г. Носов. Электромагнитно-акустический преобразователь; Опубл. 20.12.2003. Бюл. № 4.

4. Пат. РФ № 52479 (промобразец) / А.В. Кириков, А.Н. Забродин, А.Ю. Смирнов, В.А. Анишин, Ю.Г. Носов. Преобразователь электромагнитно-акустический; Зарегистрирован 16.05.2003.

5. Пат. РФ № 52480 (промобразец) / А.В. Кириков, А.Н. Забродин, А.Ю. Смирнов, В.А. Анишин, Ю.Г. Носов. Преобразователь электромагнитно-акустический; Зарегистрирован 16.05.2003.

6. Пат. РФ № 2223487/ А.В. Кириков, А.Н. Забродин, А.Ю. Смирнов, В.А. Щербаков, Н.В. Калачев, В.В. Пашнин. Электромагнитно-акустический преобразователь; Опубл.10.02.2004. Бюл. № 4.

7. Пат. РФ № 2238553/А.В. Кириков, А.Н. Забродин, А.Ю. Смирнов, А.Е. Попов, К.Н. Макаренков, В.В. Козлов, И.В. Лутовинов. Способ бесконтактного ультразвукового контроля сортового проката и труб и установка для его осуществления; Опубл.12.10.2004. Бюл. № 29.

8. Пат. РФ № 2231055/А.В. Кириков, А.Н. Забродин, С.К. Паврос Устройство для ультразвукового контроля прочностных характеристик материала движущегося листового проката; Опубл. 20.06.2004. Бюл. № 17.

9. Пат. РФ № 2243550/А.В. Кириков, А.Н. Забродин, А.Ю. Смирнов. Электромагнитно-акустический преобразователь; Опубл.27.12.2004. Бюл. № 36.

10. Пат. РФ № 2247978/А.В. Кириков, А.Н. Забродин, А.Ю. Смирнов, А.Е. Попов, В.А. Щербаков, Л.Г. Делюсто, А.М. Кашин. Электромагнитно-акустический преобразователь; Опубл.10.03.2005. Бюл. № 7.

11. Пат. РФ № 2258217/А.В. Кириков, А.В. Дурнов, А.Н. Забродин. Способ контроля однородности механических свойств листового, сортового проката и труб; Опубл.10.03.2005; Бюл. № 22.

12. Пат. РФ № 2268517/А.В. Кириков, А.В. Дурнов, А.Н. Забродин. Катушка индуктивности электромагнитно-акустического преобразователя; Опубл. 20.01.2006. Бюл. № 02.

13. Пат. РФ № 2271876/А.В. Кириков, А.Ю. Смирнов, Н.В. Калачев, М.В. Соколов, В.В. Пашинин. Электромагнитно-акустический преобразователь; Опубл. 20.03.2006. Бюл. № 8.

14. Пат. РФ № 2270443/О.А. Кувшинников, А.В. Кириков, А.Н. Забродин. Электромагнитно-акустический преобразователь; Опубл. 20.02.2006. Бюл. № 5.

15. А.В. Кириков. Особенности применения нормальных и поверхностных ультразвуковых волн для автоматизированного контроля качества металлопродукции. - // Сталь, № 2, 2000, с.44-50.

16. А.В. Кириков, В.Н. Борисов. Ультразвуковой автоматизированный контроль на металлургических предприятиях. // Сталь, 2000, № 2, С.25-31.

17. А.В. Кириков, А.Н. Забродин. Особенности применения ЭМАП при УЗК проката. // В мире неразрушающего контроля, 2002, № 1 (15), С.5-8.

18. Аббакумов К.Е., Кириков А.В., Львов Р.Г. Преломление упругих волн на плоской границе раздела с нарушенной адгезией твердых сред // Приборостроение и информационные технологии. СПб, 2003, С.10-17. (Изв. ГЭТУ, вып.1).

19. Паврос С.К., Перегудов А.Н., Забродин А.Н., Кириков А.В., Лапин Ю.В. О возможности измерения прочностных характеристик материала проката акустическими методами // Приборостроение и информационные технологии. СПб, 2004, С.11-17. (Изв. ГЭТУ, вып.1).

20. А.В. Кириков, А.Н. Забродин, С.К. Паврос, И.Ю. Северинец, С.И. Крауклиш. Высокотемпературный ультразвуковой контроль листового проката. // Сталь, 2005, № 11, С.80-83.

21. Кириков А.В., Забродин А.Н., Паврос С.К., Северинец И. Ю, Крауклиш С.И. Ультразвуковой контроль листового проката при повышенной температуре и его особенности // Приборостроение и информационные технологии. СПб, 2006, С.37-42. (Изв. ГЭТУ, вып.1).

22. Кириков А.В., Забродин А.Н., Паврос С.К. О возможности автоматизированного ультразвукового контроля однородности механических свойств листового проката // Приборостроение и информационные технологии. СПб, 2006, С.42-46. (Изв. ГЭТУ, вып.1).

Размещено на Allbest.ru

...