Разработка критериев оценки типов дефектов сварных соединений тонкостенных труб волнами Лэмба

В сложившихся экономических условиях в нашей стране стало необходимым оценивать остаточный ресурс технических объектов, отслуживших свой расчетный срок. Особую остроту эта задача принимает в коммунальном хозяйстве. Речь идет о трубопроводах, обеспечивающих водоснабжение и газоснабжение жилых построек. Эта проблема становится особенно важной для высотных зданий, которые эксплуатируются более двадцати лет (например, здание ОАО «Газпром» и ему подобные).

Анализ дефектности трубопроводов, эксплуатирующихся в системах ЖКХ, показал, что в 75% случаев причиной/ разрушения является коррозионное поражение, которому сопутствуют поверхностные трещиноподобные дефекты сложной геометрической формы и ориентации. Как правило, места коррозионного поражения находятся на участках, проходящих через межэтажные перекрытия и стенные перегородки, так как эти участки труб являются недоступными для визуального контроля и профилактических работ.

Проведенный анализ показал, что практически единственным методом диагностирования указанных участков трубопроводов является ультразвуковой, причем наиболее эффективным является контроль волнами Лэмба по теневой схеме. Это обусловливается тем, что этими волнами могут быть обнаружены поверхностные трещины не только с наружной, но и с внутренней стороны стенки трубы, а также сложно ориентированные дефекты, которые трудно обнаружить объемными волнами.

Исследованию возможностей применения нормальных волн посвящены работы как российских ученых: И. А. Викторова, В. Т. Боброва, так и иностранных специалистов: Gringsby T.N., Tajchman Е. J., Frederick C.L., Worlton D.C., что еще раз подтверждает большой потенциал их использования.

Анализ работ показал, что в настоящее время существуют методики контроля волнами Лэмба, которые позволяют обнаруживать сложно ориентированные поверхностные дефекты, измерять толщину металла, исследовать механические характеристики материалов. Однако, остается нерешенным вопрос об обнаружении и идентификации внутренних дефектов таких, как трещины и несплошности объемного типа (поры). Эти дефекты нередко встречаются в сварных соединениях, находящихся по той или иной технологической причине вне зоны доступа для обычных ультразвуковых методов контроля (это так называемые участки трубопроводов, проходящие в «закладных» гильзах^ как правило, встречающихся в подпольях зданий).

Для решения поставленной задачи необходимо создать твердотельную модель дифракции, позволяющую учитывать дифракционные волны, образующиеся на дефекте при падении на него упругой волны и на основе этой модели разработать критерий, однозначно определяющий тип дефекта.

Целью работы являлась разработка методики ультразвукового контроля недоступных участков трубопроводов.

Работа состоит из пяти глав.

В первой главе рассмотрены конструктивные особенности трубопровода, технология его изготовления. Был проведен анализ дефектов, встречающихся в трубопроводах ЖКХ данного типа и применяемые методы контроля трубопроводов. Был проведен анализ существующих методов контроля, обоснован выбор теневой схемы контроля волнами Лэмба для недоступных участков трубопровода.

Во второй главе рассмотрены теоретические основы распространения волн Лэмба.

Проанализировав особенности распространения нормальных волн, было установлено следующее.

Применение мод нулевого порядка для обнаружения внутренних дефектов невозможно, потому что при k, h>> 1 их фазовые и групповые скорости стремятся к скорости волны Рэлея cR, смещения становятся локализованными вблизи свободных границ пластины. При этом' фазовая скорость зависит от проекции волнового числа на ось, вдоль которой^ распространяется волна.

Также было обращено внимание на* доказанныйв. работах И'. А. Викторова факт, что в первом приближениицилиндрическая кривизна не влияет на’скорость и затухание во лн< Лэмба-, что дает возможность. переноса методик контроля плоского слоя (листов) на цилиндрический слой (труб).

Эти положения позволили в дальнейшем* подойти к решению задачи-дифракции волн Лэмба в твердом теле при наличии плоскостных и объемных несплошностей:

Третья глава* посвящена решению задачи, дифракции' волн Лэмба1 и разработке математических моделей влияния геометриидефекта на параметры, нормальных волн. Было показано, что угол наклона трещины влияет на? фазовые скорости мод волны Лэмба, а диаметр поры влияет на форму принимаемого сигнала мод нулевого порядка за счет формирования пакетов волн Лэмба волнами соскальзывания поперечного типаПроведенное экспериментальное исследование влияния геометрии дефектов на распространение нормальных волн подтвердило результаты расчетов.

В четвертой главе представлен критерий оценки типов-дефектов.

Критерий состоит в следующем.

Если при контроле двумя модами волны Лэмба, одна из которых мода нулевого порядка^ а другая. — мода, имеющая^ возможность изменения фазовой скорости при данной толщине и частоте, происходит:

— изменение формы сигнала от моды нулевого порядка (рис. 10), то обнаружен объемный дефект (пора), где ширина сигнала по времени определяет диаметр поры;

— изменение формы сигнала моды нулевого порядка не происходит, а происходит изменение времени прихода сигнала от моды, имеющей возможность изменения фазовой скорости при данной толщине и частоте, то обнаружен плоскостной дефект.

Критерий позволяет определять размеры дефектов не по амплитуде, а по анализу временных характеристик распространения волн Лэмба.

В пятой главе представлена технология контроля недоступных участков трубопроводов по теневой схеме. Рассчитаны рекомендуемые частоты вводимой волны для различных толщин в диапазоне 3−6 мм, рекомендуемый угол ввода волны.

Также представлен стандартный образец предприятия СОП-1 для настройки необходимого масштаба развертки дефектоскопа и его усиления и устройство позиционирования и перемещения датчиков, применяемых при контроле.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. На основе проведенного анализа качества трубопроводов ЖКХ, показано, что 75% случаев, причиной разрушения трубопроводов является коррозионное поражение участков трубопроводов, и в меньшей степени оказывают влияние трещины и порыхварных стыков труб.

2. Решена задача дифракции нормальных волн при падении нормальных волн на плоскостные и объемные дефекты. Теоретически и экспериментально показано, что фазовая скорость нормальной волны зависит от угла наклона трещины и не зависит от диаметра округлого дефекта. Было доказано, что диаметр поры влияет на форму принимаемого сигнала мод нулевого порядка за счет формирования пакетов волн Лэмба волнами соскальзывания поперечного типа.

4. На основе решения' задачи дифракции волн Лэмба были, получены зависимости, позволяющие в численном виде рассчитать временны параметры распространения волн Лэмба при наличии дефектов разного типа.

5. На основе анализа временных характеристик распространения нормальных волн, разработаны критерии оценки типов дефектов и их размеров. По форме принимаемого сигнала от мод нулевого порядка и времени прихода сигнала от симметричной моды 2-го порядка можно однозначно определить тип и размер дефекта.

6. Разработана методика контроля недоступных участков трубопроводов, волнами Лэмба и средства для ее реализации. Рассчитаны угол ввода волны, частота для различных толщин. Также разработаны механическое устройство позиционирования и перемещения преобразователей, специальный образец, предназначенный для настройки дефектоскопа.

7. Представленная методика контроля прошла проверку на специально созданном стенде-имитаторе стенной перегородки. Результатом проведенных исследований стало подтверждение возможности применения разработанной методики контроля участков трубопроводов, проходящих через перекрытия и перегородки.