Способ неразрушающего контроля поврежденности металлов

Использование: для неразрушающего контроля поврежденности металлов. Сущность изобретения заключается в том, что определяют временные задержки распространения упругой волны, при этом определение временных задержек производят для одного типа объемной упругой волны при разных температурах и определяют поврежденность материала, используя заданную математическую формулу. Технический результат: уменьшение погрешности и снижение трудоемкости определения поврежденности металла. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к способам исследования или анализа материалов с помощью ультразвуковых волн, в частности к способам неразрушающего контроля путем измерения времени распространения акустических волн при разных температурах материала и может быть использовано для контроля накопленных повреждений и интенсивности процесса накопления повреждений в металлоконструкции.

Известен способ неразрушающего контроля степени поврежденности металлов эксплуатируемых элементов теплоэнергетического оборудования, заключающийся в том, что определение времени задержки поверхностной волны производят на поверхности нового элемента, в зоне разрушения элемента и в контролируемой зоне эксплуатируемого элемента, а затем определяют критерий поврежденности эксплуатируемого элемента. (Смирнов А.Н., Хапонен Н.А. Способ неразрушающего контроля поврежденности металлов эксплуатируемых элементов теплоэнергетического оборудования (RU 2231057): G01N 29/20).

Недостатком указанного способа является то, что поверхностные волны чувствительны к геометрии поверхности (например, изменение радиуса кривизны), а так же к микрогеометрии поверхности (шероховатости, волнистости). Эти характеристики поверхности могут меняться в процессе эксплуатации объекта и вносить значительный вклад в эффект, тем самым увеличивая погрешность.

В качестве прототипа выбран способ оценки поврежденности материала конструкций, заключающийся в измерении времени задержки поверхностной, продольной и сдвиговых волн на поверхности нового элемента, в зоне разрушения элемента и в контролируемой зоне эксплуатируемого элемента. (Хлыбов А.А., Углов А.Л. Способ оценки поврежденности материала конструкций (RU 2507514): G01N 29/04).

Недостатком указанного способа является необходимость применения трех типов волн, что делает задачу трудоемкой. Так как в способе применяются поверхностные волны, он не лишен и предыдущего недостатка, описанного выше. Более того, поверхностная волна распространяется на поверхности материала и в приповерхностном слое, и изменение временных задержек будет связано с состоянием и повреждением этого слоя, тогда, как продольные и сдвиговые волны распространяются в объеме материала, и, соответственно, изменение временных задержек в этом случае будет связано с состоянием и повреждением объема материала. Состояние поверхности и приповерхностного слоя и объема материала - не одно тоже и, в общем случае, не связаны между собой. Поэтому совместное использование объемных и поверхностных волн для оценки поврежденности локального объема материала не обосновано и значительно увеличивает погрешность при определении поврежденности.

Кроме того, можно выделить один общий недостаток приведенных выше изобретений: для определения поврежденности необходимо иметь новый элемент и разрушенный элемент, что не всегда возможно.

Предлагаемый способ лишен этих недостатков.

Задачей, на достижение которой направлено предлагаемое изобретение, является уменьшение погрешности и снижение трудоемкости определения поврежденности металла.

Технический эффект достигается тем, что, как и в прототипе, определяют временные задержки распространения упругой волны.

Новым является то, что определение временных задержек производят для одного типа объемной упругой волны при разных температурах и определяют поврежденность материала, используя формулу

ψ=а(t2/t1-1)/(Т21)+b,

где а и b - коэффициенты, определяемые экспериментально, t1 и t2 - временные задержки распространения объемной упругой волны при температуре T1 и Т2 соответственно.

Новым в частном случае реализации способа по п. 2 формулы изобретения является то, что при деформировании расчет интенсивности накопления повреждений производят по формуле:

где ψ1 - текущее значение поврежденности, ψ0 - предыдущее значение поврежденности, t2' и t1' - временные задержки распространения объемной упругой волны для текущей поврежденности ψ1 при температуре Т2' и T1' соответственно, t20 и t10 - временные задержки распространения объемной упругой волны для предыдущего значения поврежденности ψ0 при температуре Т2 и T1, ε1, ε0 - величины деформации при текущем значении поврежденности ψ1 и начальном значении поврежденности ψ0 соответственно.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

В металле возбуждают объемную упругую волну, измеряют временную задержку ее распространения, нагревают или охлаждают материал до заданной температуры, повторно определяют временную задержку и по результатам измерений рассчитывают поврежденность:

где а и b - коэффициенты, определяемые экспериментально, t1 и t2 - временные задержки распространения объемных упругих волн при температуре T1 и Т2 соответственно.

Положительный эффект от предлагаемого способа можно пояснить следующим образом. В процессе накопления микроповреждений в кристаллической решетке металла происходит образование дефектов, влияющих на среднюю энергию тепловых колебаний атомов, которая определяет температурную зависимость модулей упругости. Модули упругости материала определяют акустические характеристики материала, в частности скорость распространения объемной упругой волны и, как следствие, временной задержки ее распространения. Предлагаемый способ, в котором измерения временной задержки распространения объемной упругой волны осуществляют при разных температурах, дает возможность учесть влияние температуры на временные задержки волны и выявить временную задержку, связанную только с поврежденностью. Даже учитывая тот факт, что изменение временной задержки, связанной с изменением линейных размеров материала при нагревании или охлаждении, на порядки меньше наблюдаемого эффекта, и для простоты расчета это влияние не учитывают, предлагаемый способ дает заведомо более точный результат по сравнению с прототипом. На уменьшение погрешности также влияет то обстоятельство, что в данном способе используют для измерений и оценки поврежденности только объемные упругие волны, в отличие от прототипа, где совместное использование объемных и поверхностных волн для оценки поврежденности - локального объема материала увеличивает погрешность при определении поврежденности. Кроме того, для осуществления предлагаемого способа нет необходимости постоянно иметь в наличии новый и разрушенный образцы материала, достаточно провести измерения один раз и, вычислив коэффициенты а и b, пользоваться ими для расчета поврежденности в последующих измерениях, что удобно при периодическом обследовании состояния конкретного элемента металлической конструкции.

Для отслеживания состояния металла и процесса накопления поврежденности в динамике удобно использовать формулу для расчета приращения или изменения поврежденности:

где ψ1 - текущее значение поврежденности, ψ0 - предыдущее значение поврежденности, t2' и t1' - временные задержки распространения объемной упругой волны для текущей поврежденности ψ1 при температурах Т2' и Т1' соответственно, t20 и t10 - временные задержки распространения объемной упругой волны для предыдущего значения поврежденности ψ0 при температуре Т2 и T1 соответственно. Как видно из формулы (2), при расчете приращения или изменения поврежденности нет необходимости в определении коэффициента b, что также существенно уменьшает погрешность.

Для ψ0=0 формулы (2) можно использовать для определения текущего значения поврежденности Δψ=ψ1.

Поврежденность ψ изменяется в диапазоне от 0 до 1. При достижении поврежденности 1 материал считается разрушенным. Значение поврежденности, при котором объект должен выводиться из эксплуатации, устанавливается нормативными документами предприятия. В общем случае при достижении поврежденности значения 0,7 и выше эксплуатацию объекта считают опасной.

Пример применения.

Измерения проводились на материале АМг6. В материале имелось три участка с различной поврежденностью. В данном случае под поврежденностью понимается относительное изменение разуплотнения материала вследствие одноосного растяжения. Разуплотнение материала рассчитывается по формуле Р=(ρ0-ρ)/ρ0, где ρ0, ρ - начальное и текущее значения плотности материала соответственно. Максимальное разуплотнение материала в области разрыва рассчитывается по формуле Р*=(ρ0-ρ*)/ρ0, где ρ* - критическое значение плотности материала в области разрыва. Определим поврежденность как относительное изменение разуплотнения материала ψ=Р/Р*=(ρ0-ρ)/(ρ0-ρ*). Значение поврежденности изменяется в пределах от 0 до 1.

Плотность материала с высокой точностью определялась методом гидростатического взвешивания. Первый участок был не поврежденным, т.е. ρ=ρ0, ψ=0; второй участок имел максимальную поврежденность: Р=Р*=0,95%, ψ=1. Третий участок имел неизвестную поврежденность, которую необходимо было найти.

На первом и втором участках были измерены временные задержки объемной упругой продольной волны (несущая частота 5 МГц) при медленном охлаждении от комнатной температуры. График зависимости отношения временных задержек t2/t1 от изменения температуры представлен на фиг. 1, где t1 - временная задержка при температуре T1=293 К, t2 - временная задержка при текущей температуре Т2. Зависимости имеют линейный вид. Найдем коэффициенты а и b, решив систему двух уравнений для случаев ψ=0 и ψ=1. С учетом экспериментальных данных (фиг. 1) отношение временных задержек t2/t1=0,9873 при Т2-T1=-65 К для случая ψ=0; t2/t1=0,9753 при T2-T1=-65 К для случая ψ=1 в соответствии с формулой (1) запишем систему уравнений:

1=а(-0,0247)/(-65)+b,

0=а(-0,0127)/(-65)+b.

Таким образом а=-6304, b=2,2.

Для определения неизвестной поврежденности на третьем участке с неизвестной поврежденностью получим временные задержки объемной упругой продольной волны в зависимости от температуры. При охлаждении материала T2-T1=-50 К отношение временных задержек упругих волн составило t2/t1=0,986. Используя формулу (1), с учетом известных а и b получим:

ψ=-6304(-0,0136/-50)+2,2=0,49.

С целью верификации результата методом гидростатического взвешивания была определена плотность материала третьего участка и рассчитаны разуплотнение и поврежденность материала. Среднее значение разуплотнения материала составило Р=0,45%, поврежденность ψ=0,47.

В режиме мониторинга, с учетом, что ψ=0, приращение поврежденности Δψ можно рассчитать формулы (2):

Δψ=ψ-0=-6304*((-0,0136/-50)-(-0,0127)/(-65))=0,48.

При необходимости прогнозировать остаточный ресурс материала при регулярных режимах нагружения мерой скорости накопления повреждения служит интенсивность накопления повреждения. Этот частный случай описан в п. 2 формулы изобретения. При деформировании материала интенсивность накопления повреждения запишется как:

где ε1, ε0 - величины деформации при текущем значении поврежденности ψ1 и начальном значении поврежденности ψ0 соответственно.

Определение деформации зачастую связано с техническими трудностями, а порой и невозможно, например, при одностороннем доступе к конструкции. Поэтому удобно, в прикладном плане, для определения величины деформации использовать параметр акустической анизотропии, рассчитываемый через объемные упругие поперечные волны. В результате проведенных исследований установлено, что изменение параметра акустической анизотропии ΔА не зависит от температуры и функционально связано с величиной деформации материала по формуле:

c1, c2 - константы, определяемые экспериментально, ΔА=А(ψ1)-A(ψ0) - изменение параметра акустической анизотропии, определяемого через времена распространения поперечных объемных упругих волн, поляризованных вдоль tzx и поперек tzy оси деформирования материала по формуле .

1. Способ неразрушающего контроля поврежденности металлов, в котором определяют временные задержки распространения упругой волны, отличающийся тем, что определение временных задержек производят для одного типа объемной упругой волны при разных температурах и определяют поврежденность материала, используя формулу

ψ=a(t2/t1-1)/(T2-T1)+b,

где а и b - коэффициенты, определяемые экспериментально, t1 и t2 - временные задержки распространения объемной упругой волны при температуре Т1 и Т2 соответственно.

2. Способ неразрушающего контроля поврежденности металлов по п. 1, отличающийся тем, что при деформировании расчет интенсивности накопления повреждений производят по формуле:

где ψ1 - текущее значение поврежденности, ψ0 - предыдущее значение поврежденности, t2' и t1' - временные задержки распространения объемной упругой волны для текущей поврежденности ψ1 при температуре Т2' и T1' соответственно, t20 и t10 - временные задержки распространения объемной упругой волны для предыдущего значения поврежденности ψ0 при температуре Т2 и Т1, ε1, ε0 - величины деформации при текущем значении поврежденности ψ1 и начальном значении поврежденности ψ0 соответственно.



 

Похожие патенты:
Устройство относится к метрологии, в частности к средствам для дистанционного контроля высоковольтного оборудования. Устройство контроля высоковольтного оборудования под напряжением, включающее приемник сигналов от частичных разрядов, оптический визир, блок лазерной наводки, жидкокристаллический индикатор, блок автоматической регулировки чувствительности сигналов от частичных разрядов, блок обработки сигналов.

Использование: для ультразвукового (УЗ) неразрушающего контроля изделий, в частности железнодорожных рельсов. Сущность изобретения заключается в том, что в зоне досягаемости диаграммы направленности вертикального зондирующего электроакустического преобразователя (ЭАП), направленного через головку, шейку к подошве рельса, устанавливают дополнительные приемные ЭАП.
Изобретение относится к технологии изготовления стволов артиллерийских орудий. Способ поверхностной закалки внутренней поверхности ствола артиллерийского орудия заключается в том, что на контрольный участок внутренней поверхности ствола воздействуют импульсами лазерного излучателя для нагрева и перевода поверхностного слоя металла в мартенсит с последующим контролем качества закалки.

Использование: для комплексного автоматизированного неразрушающего контроля качества многослойных изделий. Сущность изобретения заключается в том, что устройство включает два ультразвуковых преобразователя теневого контроля, ультразвуковой дефектоскоп теневого контроля, пороговое устройство ультразвукового дефектоскопа теневого контроля, датчик позиционирования, электронный блок датчика позиционирования, регистрирующее устройство, преобразователь акустического дефектоскопа для осуществления метода свободных колебаний, акустический дефектоскоп для осуществления метода свободных колебаний, пороговое устройство акустического дефектоскопа для осуществления метода свободных колебаний, электронный ключ, блок задержки.

Использование: для неразрушающего контроля качества изделий. Сущность изобретения заключается в том, что сканируют поверхность контролируемого объекта датчиками физических полей, измеряют величины сигналов с каждой точки поверхности контролируемого объекта, разбивают диапазон величин сигналов по их значениям на I интервалов, регистрируют измеренные сигналы по принадлежности к соответствующим интервалам, определяют количество измеренных сигналов в каждом интервале, рассчитывают разность количества измеренных сигналов в последующем и предыдущем интервалах по всему диапазону значений величин измеренных сигналов, в качестве порогового значения величины сигнала излучения физического поля выбирают значение из интервала, для которого разность количества измеренных сигналов в данном и предыдущем интервалах меньше нуля, а разность количества измеренных сигналов в данном и последующем интервалах больше нуля.

Область применения: - неразрушающий контроль состояния сляба. Технический результат – повышение точности контроля.

Использование: для неразрушающего контроля твердых тел. Сущность изобретения заключается в том, что размещают в заданной зоне сканирования ультразвуковой преобразователь и проводят операции контроля, включающие зондирование импульсами ультразвуковой частоты, регистрацию принятых сигналов посредством дефектоскопа с обеспечением их визуализации в виде амплитудно-временной развертки, выделение на ней соответствующей заданной зоне сканирования временной зоны, апертуру которой выбирают из условия невхождения в нее зондирующего импульса, задание критерия полезности сигнала и анализ зарегистрированных в этой временной зоне принятых сигналов, включающий определение их амплитуд через заданный промежуток времени, перемещают ультразвуковой преобразователь в зоне сканирования и повторяют операции контроля.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для прогноза динамических явлений типа внезапного выброса угля и газа, горного удара и им подобных.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля при реализации магнитных и ультразвуковых бесконтактных методов дефектоскопии для обнаружения дефектов и определения геометрических размеров изделий на значительных скоростях сканирования.

Использование: для внутритрубной диагностики трубопроводов. Сущность изобретения заключается в том, что c одной стороны трубопровода производят монтаж камеры пуска средств очистки и диагностики (далее - СОД), причем СОДом может быть магнитный дефектоскоп, профилемер или очистной скребок, с другой стороны трубопровода устанавливают и закрепляют тяговое устройство, запасовывают СОД через камеру пуска СОД в трубопровод, при помощи тягового устройства протягивают СОД по трубопроводу.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при проведении механических испытаний изоляции обмоток электродвигателей локомотивов. Сущность: осуществляют приложение силового воздействия к исследуемому образцу изоляционного покрытия. Прикладывают воздействие вибрационного характера к исследуемому образцу, регулируют мощность воздействия при помощи генератора частот, контроль за ходом испытания осуществляют при помощи перемещаемой видеокамеры. По окончании этапа испытаний сравнивают полученные результаты с эталонным первоначальным образцом и делают заключение о состоянии изоляционного покрытия. Устройство содержит высокочастотный акустический динамик с присоединенными к нему генератором частот и усилителем звука для регулирования вибрационного воздействия, передаваемого на исследуемый образец при помощи динамика, устройства крепления, установленные на верхней части динамика для фиксации образца, а также на основании для крепления динамика, видеокамеру, перемещаемую при помощи манипулятора по нескольким степеням свободы. Технический результат: возможность оценить остаточный ресурс изоляционного покрытия, показать опасные места на изоляционном покрытии. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при проведении испытаний адгезионной прочности изоляционного покрытия обмоток электродвигателей локомотивов. Сущность: осуществляют воздействие на образец с износостойкими покрытиями деформирующей нагрузки до разрушения покрытия и оценку результатов испытаний. Воздействие на образец осуществляют вибрационными колебаниями, возбуждаемыми звуковым давлением, причем увеличивают интенсивность звуковых колебаний до разрушения образца и оценку прочности дают по результатам сравнения с эталонным образцом износостойкого покрытия, после чего делают заключение о состоянии изоляционного покрытия. Устройство содержит высокочастотный акустический динамик с присоединенными к нему генератором частот и усилителем звука для регулирования вибрационного воздействия. Динамик закреплен сверху относительно исследуемого образца на специальном штативе, на основании установлена подставка с захватами для образца, причем видеокамера имеет возможное перемещение, осуществляемое посредством манипулятора по нескольким степеням свободы. Технический результат: возможность оценить остаточный ресурс изоляционного покрытия, показать опасные места на изоляционном покрытии. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Использование: для неразрушающего контроля поврежденности металлов. Сущность изобретения заключается в том, что определяют временные задержки распространения упругой волны, при этом определение временных задержек производят для одного типа объемной упругой волны при разных температурах и определяют поврежденность материала, используя заданную математическую формулу. Технический результат: уменьшение погрешности и снижение трудоемкости определения поврежденности металла. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Наверх