УДК 620.179.16
О ВОЗМОЖНОСТЯХ АКУСТИЧЕСКОМ ДИСТАНЦИОННОМ ДЕФЕКТОСКОПИИ ПРОТЯЖЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
ГЛ. Буденков, О.В. Недзвецкая, М.Далати
На основе анализа уравнений акустического тракта эхоимпульсного метода контроля проведены сравнительные оценки максимальной глубины прозвучивания при использовании классического метода у. з. дефектоскопии с помощью продольных волн и при реализации технологии контроля с использованием волн Похгаммера.
Одной из особенностей акустических методов контроля является возможность обнаружения поверхностных и внутренних дефектов изделий из различных материалов на значительных расстояниях. Последний факт объясняется сравнительно невысоким ослаблением у. з. волн с расстоянием на частотах мегагерцового диапазона.
Максимальная глубина прозвучивания при реализации эхометода — есть наибольшая глубина, на которой выявляется дефект заданного размера. Достижение максимальной глубины прозвучивания ограничено двумя главными факторами — чувствительностью аппаратуры и уровнем помех (структурных помех и тепловых шумов). Порог акустической чувствительности определяют как отношение минимального принимаемого акустического сигнала к максимальному посылаемому акустическому сигналу Ртт/Р0. При низком уровне структурных шумов порог акустической чувствительности современных дефектоскопов равен 90— 100 дБ, у лучших приборов он достигает 120 дБ [1].
При известной акустической чувствительности дефектоскопа задача определения максимальной глубины прозвучивания может быть решена на основе анализа формул акустического тракта. Так, согласно [1], амплитуда эхосигнала от дефекта, отнесенная к амплитуде зондирующего импульса Р'/Р0 зависит от расстояния и описывается в дальней зоне формулой:
для плоскодонного отверстия
Р'(г)^ехр(-25;-), (1)
Ро г к
для донной поверхности
^(г) = А-ехр(-25г), (2)
где 5в — площадь пьезопластины; — площадь искусственного отражателя; X — длина волны на частоте/; 8 — коэффициент затухания волны на частоте/; г — расстояние от преобразователя до отражателя.
Если считать, что для надежного обнаружения полезного сигнала на фоне помех сигнал должен быть в ~5 раз выше среднего уровня помех, то справедливо соотношение
Р' Р
— (г)> 5^, (3)
Р Р
го го
определяющее предельные расстояния, на которых будет уверенно выявляться на фоне тепловых шумов эхосигнал от плоскодонного отражателя (от донной поверхности).
Оценим предельные расстояния, на которых может быть реализована акустическая дефектоскопия с использованием продольных волн при низком уровне структурных шумов для акустической чувствительности дефектоскопа 120 дБ.
Для вычисления коэффициента затухания продольной волны 8/ используем приближенную формулу для малоуглеродистой стали [2]
5, = 0,12/+2(Ю3/4, (4)
где £> — диаметр зерна, мм;/— частота, МГц. Так для железа со средним размером зерна В - 0,05 мм на частоте/= 2,5 МГц затухание 8; = 0,4 1/м.
Расчеты в соответствии с формулами (1)—(3) показывают, что эхо-сигнал от искусственного отражателя площадью 5Й = 1 мм2 на частоте /= 2,5 МГц (5а = 100 мм2, 8 = 0,4 1/м) более чем в 5 раз превышает уровень шума на предельном расстоянии г «1,8 м. При тех же условиях эхосигнал от донной поверхности можно наблюдать на расстояниях г до 6,5 м.
Основным видом трудноустранимых помех являются структурные помехи, обусловленные рассеянием на границах зерен (коэффициент рассеяния). Задача определения предельных расстояний при высоком уровне структурных помех может быть решена на основе соотношения полезного сигнала и среднего уровня структурных помех и'/11 для плоскодонного отверстия [1]
Ш(г) = 5£. (5)
ип[ ) гХ ]1 8рСх'
где 5р — коэффициент рассеяния волны на частоте/; С — скорость у. з. волны; г — длительность зондирующего импульса (полагаем, равной 4 периодам основной частоты).
Так, коэффициент рассеяния, описываемый вторым слагаемым формулы (4), для железа со средним размером зерна О = 0,2 мм на частоте /= 2,5 МГц составляет 8р = 6,25 1/м и существенно превышает коэффициент поглощения (1 слагаемое формулы (4)), что является причиной высокого уровня структурных помех.
Расчеты в соответствии с формулой (5) при тех же параметрах искусственного отражателя и преобразователя показывают, что эхосигнал от отражателя площадью = 1 мм2 более чем в 5 раз превышает уровень структурных помех на предельных расстояниях г до 40 мм.
С точки зрения максимальной глубины прозвучивания принципиально отличными являются методы контроля с использованием объемных волн, волн Рэлея и Лэмба. Если распространение объемных волн сопровождается расхождением по закону сферической волны, то распространение волн Рэлея в приповерхностном слое и волн Лэмба в листе подчиняется законам расхождения цилиндрических волн, поэтому дальность распространения волн Рэлея и Лэмба при прочих равных условиях существенно больше дальности распространения объемных волн. Отметим, что за счет меньшего ослабления с расстоянием предельные расстояния, на которых может быть реализован эхометод контроля листов с использованием волн Лэмба и контроль поверхностного слоя с использованием рэлеевских волн, примерно на порядок больше (до 10 м) [3].
Среди продукции предприятий черной металлургии и машиностроения большой объем занимает стальной прутковый прокат, нашедший широкое применение в качестве заготовок при производстве насосных штанг, пружин, изготовлении режущего и измерительного инструмента, подшипников качения, игл топливной аппаратуры и др. Он является про-
32
Г.А. Буденков, О.В. Недзвецкая, М. Далати
тяженным объектом, длина которого до операции резания может быть весьма значительной.
На сегодняшний день для контроля пруткового проката применяются вихретоковый, магнитоиндукционный и у. з. методы дефектоскопии, требующие сканирования протяженного объекта вдоль его поверхности, тем самым в существенной мере ограничивая производительность существующих установок контроля.
В Ижевском государственном техническом университете разработана новая технология акустической дефектоскопии металлических протяженных объектов [4]. Метод основан на использовании нулевой симметричной моды волны Похгаммера 50 в области малых значений произведения/с? (/■— рабочая частота, с?-— диаметр прутка), характеризуемой минимальной дисперсией скорости моды.
Принципиальным является факт, что волны Похгаммера (волны в стрежнях), распространяясь только в одном направлении (вдоль цилиндра), плоские и ослабляются лишь за счет затухания в материале объекта контроля. Экспериментальные оценки показывают, что затухание моды 50, обусловленное внутренними потерями на низкой частоте, невелико и составляет 8 = 0,008 1/м, что обеспечивает возможность обнаружения дефектов на больших расстояниях. Свидетельством тому являются представленные на рисунке эхограммы, иллюстрирующие серию многократных отражений в прутке длиной 2,5 м (показана область, где дисперсия скорости проявляется незначительно).
1
5 0,5
я
н
о
§ -0,5 <
Многократные отражения стержневой волны в прутке.
В соответствии с указанными закономерностями распространения моды 50 волны Похгаммера формула акустического тракта может быть описана следующим выражением:
^(г) = /?ехр(-25г), (6)
"о
где N — коэффициент отражения от дефекта или от противоположного торца прутка в процентах от амплитуды эхосигнала от торца.
Согласно закономерностям распространения плоских акустических волн в волноводах отражение от дефектного участка волновода определяется изменением его поперечного сечения 5, скорости С и плотности р (механического импеданса X = 5рС). Коэффициент отражения при наличии промежуточного волновода длиной I находится по аналогии с коэффициентом отражения для плоского тонкого слоя толщиной /, где вместо волновых сопротивлений сред подставлены эквивалентные им для
1 1 1 1 1 1
I1 '! ° 1
Расстояние, м !
случая волновода механические импедансы дефектного и бездефектного участков волновода [5]
Для искусственного дефекта типа сегментного паза с площадью сегмента Sh = 1 мм2 в прутке диаметром 20 мм коэффициент отражения R = 0,3 % (рС = const), от противоположного торца прутка — R = 100 %. Отметим, что средний уровень структурных шумов в прутках из некоторых марок сталей составляет 0,05—0,1 %.
Решение неравенства Р'/Р0 > 5 ■ 10~5 (за абсолютную акустическую чувствительность разработанного дефектоскопа принято значение 100 дБ) приводит к следующим значениям максимальной глубины (дальности) прозвучивания при реализации новой технологии. Так искусственный дефект типа сегментного паза с площадью сегмента Sh - 1 мм2 в прутке диаметром 20 мм может быть обнаружен на расстояниях вплоть до -400 м, а эхосигнал от противоположного торца будет надежно регистрироваться на расстояниях до -750 м.
Следует отметить, что указанные оценки справедливы для области, где дисперсия скорости моды S0 проявляется незначительно (искажения эхоимпульса в процессе распространения с расстоянием несущественны). На практике технология реализована для дефектоскопии стальных прутков длиной до 10 м.
Таким образом, новый метод акустической дефектоскопии протяженных объектов с использованием волн Похгаммера при том же уровне чувствительности в значительной мере превышает по максимальной глубине прозвучивания классические у. з. методы контроля объемными волнами, волнами Рэлея и Лэмба.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и правительства Удмуртии (грант № 01—02—96457).
Ижевский государственный Поступила в редакцию
технический университет 20 июня 2003 г.
1.Ермолов И.Н., Алешин Н.П., Потапов А.И. Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 2. Акустические методы контроля. Под ред. В.В. Сухорукова.— М.: Высшая школа, 1991 .•—282 с.
2. Ермолов И.Н. Контроль ультразвуком. Краткий справочник.— М.: ЦНИИТ-МАШ, 1992,— 86 с.
3. Викторов И. А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике.— М.: Наука, 1966.— 168 с.
4. Б уденков Г.А., Шаврин О.И., Кокорин H.A., Недзвецкая О.В. Комплексная технология дефектоскопии и упрочнения насосных штанг.— Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.