Исследование и разработка методов и средств измерения основных параметров ультразвуковой дефектоскопии применительно к контролю объектов железнодорожного транспорта

В В Е Д Е Н И Е Увеличение объемов перевозок и пропускной способности, повышение скорости, бесперебойности и безопасности движения на железнодорожном транспорте определены решениями ХХУ1 съезда КПСС и основными направлениями экономического развития СССР на 1981;85 годы и на период до 1990 г., как важнейшие задачи /I/. Железные дороги занимают ведущее место в транспортной системе страны как по экономичности энергозатрат, так и по протяженности. Как известно, интенсивность эксплуатации железных дорог в Советском Союзе превышает в 6 раз соответстэующий показатель в США и более чем в 10 раз в любой другой стране мира. Столь высокие интенсивность движения и грузонапряженность на отечественных дорогах определяют особо жесткие требования к надежности пути и подвижного состава, зависящей от качества рельсов и деталей, узлов и сварных соединений в мостах, вагонах и локомотивах. Необходимое качество и надежность названных ответственных объектов железнодорожного транспорта могут быть гарантированы лишь при условии их сплошного контроля посредством неразрушающих физических методов. Основным, а иногда единственно возможным, методом неразрушающего контроля объектов железнодорожного транспорта является ультразвуковой /42,67/. На железных дорогах страны эксплуатируется более 15 тысяч дефектоскопов для контроля изделий и сварных соединений (ДУК-13ИМ, ДУК-66ПМ, «РЕЛЬС-6»), для контроля рельсов (УЗД-НйШ-бМ, «РЕЛЬС-4», «РЕДЬС-5», УРД-63, УРДО-3), для контроля осей и деталей подвижного состава (УЗД-64). Перечисленные дефектоскопы разработаны с учетом специфики объектов и условий контроля на железнодорожном транспорте, работают по эхои зеркально-теневому методу с преобразователями, возбуждающими продольные и поперечные волны на частотах 1,8 2,5 Шц, Ультразвуковой дефектоскопии ежегодно подвергается более б млн. сварных соединений в рельсах, локомотивах, вагонах и мостах, более 2 тыс. осей. Только контролем рельсов при их эксплуатации и ремонте занято более 15 тыс. специалистов. Ежегодно выявляется более 150 тыс. опасных дефектов. Выявленные дефекты классифицируются по видам, исходя из их потенциальной опасности. При этом цель контроля достигается путем оценки формы и размеров дефектов, определяемых по косвенным признакам, таким, как координаты расположения отражающей поверхности, эквивалентная площадь и условные размеры дефекта. Надежность обнаружения дефектов и достоверность их классификации по видам обусловливается точностью измерения и поддержания основных параметров ультразвуковой дефектоскопии (длины волны, частоты ультразвуковых колебаний, угла ввода луча, диаграммы направленности преобразователя, длительности зондирующего имцульса, чувствительности и др.) 67 Несоответствие основных параметров требованиям нормативно-гтехнической документации на контроль приводит к пропуску дефектов, увеличивая вероятность возникновения аварийных ситуаций. Стоимость ущерба из-за аварии, без учета катастрофических последствий, исчисляется сотнями тысяч рублей. Для поддержания на заданном уровне основных параметров в процессе эксплуатации дефектоскопов используются стандартные образцы, учитывающие специфику контроля объектов железнодорожного транспорта 15, 17 Образцы, применяемые в СССР для измерения основных параметров, обладают несколько большими функциональными возможностями по сравнению с зарубежными аналогичного назначения 56 Тем не менее, как показано в настоящей работе, некоторые из используемых образцов не обеспечивают требуемую точность измерения основных параметров, нетехнологичны в изготовлении и неудобны в эксплуатации. Это обусловливается недостаточной теоретической проработкой методик измерения ряда параметров и принципов построения стандартных образцов. Резкое увеличение объемов неразрушающего контроля ответственных объектов (в три раза за последние 15 лет) и повышение технических возможностей средств ультразвуковой дефектоскопии определяют необходимость в совершенствовании стандартных образцов и других средств измерения основных параметров, как, с точки зрения основных параметров, так и улучшения их эксплуатационных характеристик. Целью настоящей работы является повышение точности измерения основных параметров ультразвуковой дефектоскопии применительно к контролю ответственных объектов железнодорожного транспорта. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи: 1. Оценить погрешности измерения основных параметров с помо. щью действующих образцов (средств) и определить направление по повышению точности измерения. 2, Разработать интерференционный метод и соответствующий образец для измерения длины упругой волны и длительности зондирующего акустического импульса. 3, Установить числовые характеристики диаграммы направленности и методологию расчета допусков на их отклонение. 4. Разработать принципы аттестации стандартных образцов для настройки условной чувствительности для дефектоскопов как без аттенюатора, так и с аттенюатором. Обосновать допуски на геометрические и акустические характеристики стандартных образцов для измерения основных параметров и принципы их построения, В диссертации проведен анализ методов и средств измерения основных параметров ультразвуковой дефектоскопии, получены выражения: для расчета оптимального угла между отражателями в образце для измерения длины волны и длительности зондирующего импульса интерференционным методом, для расчета случайной пеленгационной ошибки при измерении условных размеров дефекта и соответствующей систематической, обязанной приращению угловой ширины основного лепестка диаграммы направленности, для аппроксимации частотных зависимостей коэффициента затухания упругой волны в оргстекле и стали в диапазоне частот 1−5 МГц и, на их основе, для расчета аттестат-графика к стандартным образцам, связывающего условные чувствительности, выраженишв миллиметрах и децибелахобоснованы принципы построения образцов для измерения длины поперечной и продольной волн без применения радиоизмерительной аппаратуры и единого образца с отсчетным устройством для определения точки выхода и угла ввода ультразвукового луча, а также условной чувствительности дефектоскопа с аттенюатором, Результаты работы использованы при разработке нового государственного стандарта на ультразвуковой контроль рельсов (ГОСТ 18 576−85) и внедрены в БелЦСМ (г. Минск) и в лаборатории дефектоскопии Белорусской железной дороги, Данная работа способствует решению задач, определенных постановлениями Совета Шюистров СССР от 09.08.79 г. 735 и П Ш Т СССР от 17,04.1979 г. 142/сп, о развитии и расширении внедрения в сварочное производство современных методов и средств неразрушающего контроля, На защиту выносятся: 1. Теория интерференционного метода измерения длины волны (частоты) и длительности акустического зондирующего импульса, возбукдаемых в контролируемом объекте. 2. Принципы определения допусков на числовые характеристики диаграммы направленности, способы измерения числовых характеристик. 3. Способ настройки условной чувствительности по образцам из органического стекла с различным коэффициентом затухания с использованием аттестат-графика. Основные результаты работы опубликованы в журналах «Дефектоскопия» АН СССР и «Измерительная техника» и докладывались на пяти конференциях. На принципиальные решения получено авторское свидетельство и находится на рассмотрении в Госкомизобретений заявка на предполагаемое изобретение. Диссертация изложена на 96 страницах машинописного текста, содержит 64 иллюстрации, 17 таблиц и СПИСОК_ЛИТЕРАТУРЫ 100 наименований. I, АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ И ПОСТАНОВКА З Щ Ч И ИССЛЕДОВАНИЙ I.I. Основные параметры ультразвуковой дефектоскопии На железнодорожном транспорте для выявления дефектов в виде несплошностей и структурнык неоднородностей, оценки их размеров и измерения местоположения (координат) применяют ультразвуковые дефектоскопы различных типов, номенклатура которых обусловлена спецификой контроля и эксплуатации конструкций и изделий (УЗДНИЙМ-бМ, ДУК13ИМ, ДУК-66ПМ, У2Д-64, УД-13УР, УРД-.58, УРДО-3, УДН У Р УД-12УР) /42,67/, Указанные функции дефектоскопы реализуют при условии нормирования основных параметров, Под основными параметрами ультразвуковой дефектоскопии понимают такие параметры, которые определяют достоверность результатов контроля /30/, При контроле ответственных объектов железнодорожного транспо* рта в соответствии с /15,17/, ограничиваются следующими параметрами: частота, f (длина Л волны) излучаемых ультразвуковых колебанийусловная чувствительность, /(уугол ввода ультразвукового луча, ск форма и размеры пьезопластины в преобразователе, а погрешность измерения координат (погрешность глубиномера), «мертвая» зона, flдлительность зондирующего импульса, Т II По существующим методикам частота излучаемых колебаний может быть измерена как с помощью радиотехнической аппаратуры /22, 55, 75/, так и с помощью образцов /15/, которые аттестуются по скорости распространения ультразвука. Условная чувствительность характеризуется размером и глубиной залегания стаодартных отражателей в образце из материала с нормированными акустическими характеристиками. Для настройки условной чувствительности применяют образец из органического стекла с боковыми циливдрическими отражателями в нем. Для дефектоскопов с аттенюаторами применяют образец 2, изготовленный из стали ст, 45 в соответствии с /16/. Угол ввода луча угол между нормалью к поверхности и линией, соединяющей центр цилиндрического отражателя с точкой выхода при установке преобразователя в положении MaKcmiQrMa эхо-сигнала. Он измеряется с помощью образца с боковым цилиндрическим отверстием и укрепленной на нем специально рассчитанной шкалой /14, 28,66/, Точка выхода ультразвукового луча соответстэует пересечению акустической оси с контактной поверхностью, на которой устанавливается преобразователь. Измеряют точку выхода с помощью полуцилиндрических образцов по методике установки преобразователя в положение максимума эхо-сигнала от вогнутой поверхности, Точность работы глубиномера характеризуется погрешностью измерения временного интервала между соответствующими фронтами импульса возбуждения и эхо-сигнала. Проверку работы глубиномера с помощью стандартных образцов с известным временем распространения ультразвука в них, «Мертвая» зона для наклонных преобразователей определяется уровнем реверберационных щумов в призме, согласованностью акустических сопротивлений материала призмы и контролируемого металла, а для прямых и длительностью зондирующего импульса. Её характеризуют максимальной глубиной расположения отражателя, эхосигнал от которого устойчиво фиксируется на фоне шумов, Форма и размеры пьезопластины обусловливают направленность поля ультразвуковых колебаний, излучаемых преобразователем. Она характеризуется диаграммой направленности, которую измеряют с помощью образцов и специальных устройств /6,7,69/, Длительность зондирующего импульса определяет длину пакета упругих акустических колебаний и сказывается на чувствительности при контроле ограниченных сред, например, рельсов. Длительность эхо-сигнала можно измерить с помощью осциллографа, например, по методике, приведенной в /55/, Номинальные значения основных параметров ультразвуковых дефектоскопов, применяемых на железнодорожном транспорте, приведены в табл, 1.1. Материал, из которого выполнены объекты контроля (рельсы, пролетные строения мостов, тележки локомотивов), как правило, углеродистые или низколегированные стали, скорость и затухание упругих волн в которых приблизительно одинаковы (табл. 1,2), Для измерения основных параметров ультразвуковой дефектоскопиикак у нас в стране, так и за рубежом, применяют различного рода образцы и устройства, реализующие физические и электронные модели акустического тракта. Подробный анализ с метрологическим обеспечением средств ультразвуковой дефектоскопии дан в работе /56/, Показано, что номенклатура образцов, применяемых для этих целей, достаточно обширна. Рассмотрим образцы и устройства для измерения основных параметров ультразвуковой дефектоскопии. 1.2, Образцы для измерения основных параметров В соответствии с ГОСТом 8,315−78 /10/ образцы, применяемые в Ультразвуковые дефектоскопы, применяемые на железнодоро и их основные параметры 1иярфпфя!%встви- !Угол 1 Рад !**!тельность! призмы, !пье М ц шд Г! град. !пла j I! ны, 3 4 5 Тип прибора! Основное назначение .УК.13ИМ 36,43/ f: ДУК-ббПМ Для выявления внутренних дефектов и определения их координат в изделиях и сварных соединениях 1,8−2,5 45 40−50 б- /37,68/ /43,67/ УЗД-НИИМ-бМ 6- Для выявления внутренних О, 6−1,25- I.8/180 30−40- кв дефектов и определения 2,5- 5,0 (по К О 50 Сг ра их координат в изделиях I) и сварных соединениях Для контроля основного 38−47-, металла, зоны стыков и 45 6 50 сварных стыков рельсов 2,5 Для контроля рельсов, исключая зоны сварных швов 2,5 Для вторичного контроля рельсов 2,5 35 35 35 47 45- 47 35−40- 45- 50 6 б УРД-58М УРД-63 (УРДО-З) /38,67/ УД-НУР («Рельс-4″) /39,67/ Для вторичного контроля основного металла рельсов 2,5 I УД-12УР /67,68/ УД-13УР (|ТельсУЗД-64 /41,42/ _2 t 3 5 35- 40- 1 6 Для контроля рельсов и 2,5 45 („Рельссварных стыков Для контроля рельсов и сварных соединений Для контроля осей колесных пар 45−50 2,5 2,5 55 15 (по спецобразцу) 40−50 6 6 Д/ Таблица 1,2 Значение скоростей и коэффициентов затухания в материалах основных объектов железнодорожного транспорта, подвергаемых контролю* (хшстота 2,5 МГц) Скорость продольной волны, м/е t Скорость! поперечной !волны, м/с j 3248−3259 3240−3251 !Коэффициент 1 затухания продольных! волн при ча! стоте 2,5 !МЛц, нп/мм 0,235 0,232 Объект контроля Рельсы типа М74. М76 5906−5926 Р50, Р65, Р75 (ГОСТ Й418 280) Сварные проЮХСНД летные строе15ХС1щ ния (ГОСТбТГЗ- 5890−5910 75) Тележки .“?г,?г.§» электровагонов (ГОСТ 380типа §-Р-2 71) Тележки тепловозов Цистерны Оси В ст I (ГОСТ 38 071) 59II-5930 3251−3262 0,237 5895−5919 3242−3255 3251−3262 3253−3262 0,236 0,229 0,231 ст 45 5910−5932 (ГОСТ 1050−74) (ГОСТ 4728- 5915−5930 79) Данные скоростей и коэффициентов затухания установлены экспериментально в процессе илполнения диссертационной работы, СССР, в зависимости от установленного порядка утверждения, под.

Результаты работы в кратком изложении могут быть сформулированы в виде следующих основных положений:

1. Выполнен анализ точностных характеристик и состояния метрологического обеспечения средств ультразвуковой дефектоскопии в СССР и за рубежомустановлена необходимость разработки новых и развития известных методов и средств измерения основных параметров ультразвуковых эхо-импульсных дефектоскопов (длины волны (частоты) ультразвуковых колебаний, угла ввода луча, диаграммы направленности преобразователя, длительности зондирующего импульса и чувствительности).

2. Теоретически и экспериментально исследован интерференционный способ измерения длины сдвиговой волны (частоты) и длительности зондирующего импульса по образцу из контролируемого металла, проведена оптимизация геометрических характеристик образца. Установлено, что минимальная погрешность измерения длины сдвиговой волны достигается при угле между угловыми протяженными отражателями, равном 3°, и на частотах 1,8−2,5 МГц и не превышает б.

3. Предложен интерференционный способ измерения длины продольной волны, возбуждаемой прямым преобразователем в полуцилиндрическом образце из контролируемого металла с двумя цилиндрическими отверстиями, расстояние между которыми не превышает половины длины пакета. дкустического зондирующего импульса. Получено выражение для расчета длины продольной волны, связывающее параметры образца с углом смещения преобразователя в положение, при котором амплитуда результирующего эхо-сигнала от отражателей минимальна.

Получены выражения для расчета допусков на числовые характеристики диаграммы направленности преобразователей, а также пеленгационной ошибки измерения угла раскрытия основного лепестка диаграммы направленности. Показано и экспериментально подтверждено, что пеленгационная погрешность при измерении условных размеров дефектов на порядок меньше соответствующей погрешности при измерении угла ввода луча и координат дефектов. На основе анализа полученных выражений рассчитаны допуски на геометрические размеры стандартных образцов и их акустические свойства,.

5. Разработан подход к использованию образцов из органического стекла для измерения и воспроизведения условной чувствительности без предварительного отбора их по значению коэффициента затухания. Для этих целей предложен аттестат-график, устанавливающий взаимосвязь между чувствительностями исходных образцов из стали и органического стекла с аттестуемым образцом из органического стекла.

6. Разработаны практические рекомендации, и вычислительное устройство (планшет) для одновременного измерения стрелы преобразователя и угла ввода луча по образцу, аналогичному СО-2, исключающему применение полуцилиндрического образца СО-3. Показано, что погрешность измерения указанных параметров данным способом меньше соответствующей погрешности действующего способа.

7. С использованием результатов исследований разработан комплект образцов и устройств, обеспечивающих в условиях эксплуатации измерение основных параметров ультразвуковой дефектоскопии таких, как длина волны (частота), длительность зондирующего импульса, угол ввода и угол раскрытия основного лепестка диаграммы направленности, с требуемой точностью.

Методика аттестации образцов из оргстекла с применением аттестат-графика и образцы для измерения основных параметров ультразвуковой дефектоскопии положены в основу нового государственного стандарта на ультразвуковой контроль рельсов (взамен ГОСТ 18 576–80) в части измерения основных параметров, а кроме того, внедрены на Белорусской железной дороге и в БелЦСМ (г.Минск).

Реализация результатов диссертационном работы на железнодорожном транспорте и в других отраслях народного хозяйства позволит повысить достоверность результатов ультразвуковой дефектоскопии, а, следовательно, снизить возможные убытки от перебраковки и недобраковки объектов контроля. Кроме того, заметно снизятся затраты на изготовление стандартных образцов и на поверку средств дефектоскопии.

Экономический эффект только от внедрения результатов работы в ГОСТ 18 576–85 и БелЦСМ превысит. 7 тыс. рублей в год.

155 ЗАКЛЮЧЕНИЕ.