Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология неразрушающего контроля в нефтегазовой отрасли. Учебное пособие
.pdf
Рис. 6. Принцип реализации магнитных методов:
1 – магнитные линии, 2 – трещина,
3 – пора, 4 – магнитное поле рассеяния дефекта
Капиллярные методы
Методы основаны на заполнении дефектов индикаторным веществом – жидким или газообразным. Широко применяется люминесцентная индикаторная жидкость. Индикаторная жидкость проникает
в дефекты и остаётся в них. Под действием ультрафиолетовой лампы
эта жидкость начинает светиться, указывая место дефекта.
Иногда в качестве индикаторного вещества применяют керосин
и порошковый мел. В зоне дефекта мел, смоченный керосином, темнеет.
Этот метод позволяет обнаруживать только поверхностные
дефекты.
Методы течеискания
Методы основаны на контроле проникновения специального индикаторного вещества – жидкости или газа через сквозной дефект.
Таким образом, эти методы используются для обнаружения сквозных
дефектов. В качестве индикаторного вещества применяют люминесцентные жидкости или газы.
Иногда в контролируемом резервуаре или трубопроводе создаётся повышенное давление, по изменению которого определяется наличие дефекта.
Электрические методы
Методы основаны на изменении электрического поля, создаваемого заряженной контролируемой деталью, при наличии дефекта.
11
Электрическое поле детали искажается дефектом, что обнаруживается сравнением его с электрическим полем бездефектной детали.
Электрические поля измеряются с помощью электрометров.
Тепловые методы
Методы основаны на изменении температурного поля исследуемого объекта при наличии в нём дефекта. Например, повышение температуры подшипника при его износе или изменение теплопроводности детали при наличии дефекта. В последнем случае деталь нагревается
с одной стороны до заданной температуры T1 и измеряется температура
с другой стороны T2. Определяется коэффициент теплопроводности:
.
Если этот коэффициент отличается от коэффициента теплопроводности бездефектной детали, то это свидетельствует о наличии дефекта.
Оптические методы
Методы основаны на взаимодействии оптических сигналов с веществом контролируемого объекта. Учитывается отражение, преломление, поглощение, рассеяние оптического сигнала.
Поверхностные дефекты обнаруживаются с помощью голограмм.
Тензорезистивные методы
Методы позволяют обнаруживать зарождающиеся поверхностные дефекты и оценивать интенсивность их распространения.
На деталь наклеивается тензорешетка и контролируется её электрическое сопротивление. При возникновении поверхностных трещин нити решётки рвутся и её сопротивление возрастает. Фиксируя
изменение сопротивления решётки во времени, определяют интенсивность распространения трещины.
Визуальные методы
В ряде случаев дефект можно обнаружить тщательным осмотром
контролируемого объекта. Признаками дефекта могут быть подтекание жидкости, газопроявление, изменение цвета грунта над трубопроводом, деформация элементов конструкции.
12
2. АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
2.1. Природа звука
Звуковые волны – это механические колебания, которые могут
распространяться в твёрдых, жидких и газообразных средах.
Человеческое ухо воспринимает частоты звука от 16 Гц до
20 кГц. Колебания более низкой частоты называются инфразвуком, а
колебания более высокой частоты называются ультразвуком. Чем
ниже частота звука, тем меньше он поглощается средой, в которой
распространяется, и наоборот. Ультразвуковые волны сильно поглощаются средой, при этом среда нагревается. На этом явлении основана ультразвуковая сварка.
Различают три вида акустических волн:
1) продольные волны;
2) поперечные волны;
3) поверхностные волны.
2.2. Скорость звука и длина акустической волны
Так как звук представляет собой механические колебания, то
скорость звука зависит от упругих свойств и плотности среды. Чем
больше плотность среды, тем выше скорость звука.
Примеры:
V
сталь =
V
вода =
V
воздух
5100 м/c;
1485 м/c;
(0 ºC) = 331,6 м/c.
Механические свойства среды зависят от температуры, поэтому
и скорость звука зависит от температуры. В воде и газах с ростом
температуры скорость звука увеличивается. Например, для газа эта
зависимость имеет вид:
,
где γ – показатель адиабаты, R – газовая постоянная, T – абсолютная
температура, М – молярная масса.
13
По скорости распространения акустических сигналов, возникающих при землетрясениях, определяется структура Земли. Так было
доказано, что ядро Земли является жидким.
В ряде случаев необходимо обеспечить требуемую длину волны
акустического сигнала. Проще всего это требование выполняется регулировкой частоты акустического сигнала:
,
где λ – длина волны, м, V – скорость звука в контролируемой среде,
м/с, f – частота акустических колебаний, Гц.
2.3. Затухание акустического сигнала
Распространение звука сопровождается переносом энергии.
Энергия упругой волны состоит из потенциальной энергии сжатия
частиц среды и кинетической энергии движения этих частиц. При
распространении звука происходит постоянный переход одной энергии в другую, при этом энергия звуковой волны поглощается средой,
вследствие чего механическая энергия переходит в тепловую.
Процесс поглощения энергии акустического сигнала средой называется диссипацией (рассеяние). Диссипация приводит к затуханию акустического сигнала по экспоненциальному закону:
,
где Ao – начальная амплитуда звуковой волны, ω – угловая частота
колебаний, β – коэффициент затухания.
Коэффициент
β зависит от плотности среды, структуры материа-
ла, вязкости среды, теплопроводности среды и частоты акустического
сигнала:
β = F(ρ, k, ή, λ, v, ω),
где ρ – плотность материала, k – структура материала, ή – вязкость
среды, λ – удельная теплопроводность, v – скорость звука, ω – угловая
частота колебаний.
Таким образом, по параметру β можно определять различные
свойства среды.
14
На практике коэффициент β определяется по декременту затухания:
,
где A(t) и A(t + T) – две амплитуды колебаний, отстоящих на один период,
T – период колебаний.
Логарифмический декремент затухания определяется выражением:
,
отсюда
.
С помощью параметра β можно определять наличие некоторых
дефектов в толще материала, неравномерность плотности материала,
расслоения.
В геологии применяется акустический каротаж для определения
структуры горных пород.
2.4. Отражение и преломление акустического сигнала
Чем меньше длина волны акустического сигнала, тем легче образовать строго направленные пучки. Поэтому для целей неразрушающего контроля применяются ультразвук с частотой колебаний вплоть
до нескольких мегагерц.
Ультразвук подчиняется законам отражения и преломления так
же, как и свет. Чем выше частота ультразвука, тем меньше его рассеяние и выше фокусировка.
На границе раздела двух сред с разной плотностью происходит
частичное отражение звука и частичное преломление с прохождением в
другую среду. Если на пути звука встречается среда с существенно
большей плотностью, то звук отражается от неё полностью, наоборот.
Например, при переходе из воздуха в воду звук отражается полностью, при остронаправленном пучке звука угол падения равен углу
15
отражения (как и для светового луча, углы падения и отражения отсчитываются от перпендикуляра к поверхности раздела двух сред).
При переходе из воды в металл звук частично отражается и частично
преломляется. Направление преломлённого пучка, как и для света,
определяется по формуле:
,
где α – угол падения звукового пучка, β – угол преломления, который
также отсчитывается от нормали, V1 – скорость звука в воде, VМ – скорость звука в металле.
2.5. Методы акустической дефектоскопии
Ультразвуковая дефектоскопия
Ультразвуковая дефектоскопия основана на формировании узконаправленного акустического сигнала. Чем выше частота ультразвука, тем легче сформировать направленный сигнал. Крупнокристаллическая структура материала объекта контроля приводит к дисперсии
акустического сигнала, вызывая его рассеяние. С другой стороны,
с помощью этого явления можно определять структуру кристаллической решётки.
Ультразвуковые колебания в контролируемый объект вводятся
в импульсном или непрерывном режимах.
Применяются следующие способы введения ультразвуковых колебаний в объект контроля:
1) сухой контактный способ с помощью накладного пьезоизлуча-
теля;
2) контактный способ со смазкой для обеспечения акустического
контакта;
3) иммерсионный способ через жидкость (иммерсио – лат., по-
гружаю);
4) бесконтактный способ с помощью электромагнитного поля и
наведения вихревых токов в контролируемом объекте (метод применим только для электропроводящих объектов).
16
Наиболее широко применяются следующие методы ультразвуко-
вой дефектоскопии:
1) эхоимпульсный метод;
2) теневой метод;
3) резонансный метод;
4) импедансный метод;
5) велосиметрический метод;
6) электромагнитно-акустический метод.
Эхоимпульсный метод основан на отражении акустического сигна-
ла от дефекта. Отражённый сигнал воспринимается акустическим приёмником, что свидетельствует о наличии дефекта. Для реализации этого
метода необходимо, чтобы плотность материала дефекта существенно
отличалась от плотности материала контролируемого объекта.
Метод позволяет обнаруживать скрытые дефекты, отличается
простотой реализации и получил широкое распространение. Выпускается широкая номенклатура ультразвуковых дефектоскопов, позволяющих обнаруживать дефекты в самых разнообразных объектах.
Основной недостаток ультразвуковых дефектоскопов связан со сложностью обеспечения акустического контакта между излучателем звука и объектом контроля.
Теневой метод основан на сквозном прохождении акустического
сигнала через контролируемый объект и появлении «звуковой тени»
за дефектом. В этом случае поперечные размеры дефекта должны
превышать длину акустической волны.
Резонансный метод основан на возникновении в контролируемом
объекте продольных стоячих волн. Эти волны возникают при совпадении частоты генерируемых колебаний с частотой собственных колебаний объекта. Этим методом можно обнаруживать дефекты и измерять толщину листов и стенок труб.
Импедансный метод основан на взаимодействии колеблющегося
стержня с поверхностью контролируемого объекта. Механическое
сопротивление (механический импеданс), оказываемое объектом, оп-
17
ределяется жёсткостью объекта. Сила реакции измеряется специальным датчиком, помещённым в нижней части стержня. Этим методом
удаётся выявить расслоения и непроклеи.
Велосиметрический метод основан на изменении скорости акустической волны при наличии дефекта. Для измерения скорости звука
обычно применяется фазовый метод.
Электромагнитно-акустический метод основан на возбуждении
ультразвуковых колебаний при взаимодействии переменного и постоянного магнитных полей с ферромагнетиком. На этом принципе
работают некоторые толщиномеры [1].
Вибрационно-акустическая диагностика
Ударное воздействие на объект контроля вызывает появление
собственных затухающих колебаний в этом объекте, амплитуда которых описывается уравнением:
,
где Ao – начальная амплитуда звуковой волны, ω – угловая частота
собственных колебаний, β – коэффициент затухания.
Значение коэффициента β может изменяться под действием некоторых дефектов, что позволяет по изменению этого параметра обнаруживать возникновение дефекта.
Примеры:
1. Обнаружение отложения парафина на стенках трубопровода.
Отложение парафина на стенках трубопровода приводит к возрастанию параметра β, то есть к более сильному затуханию акустического сигнала [2].
2. Обнаружение трещин и посторонних включений в материале
объекта контроля по изменению его резонансной частоты.
Ударное воздействие и анализ возникающего при этом акустического сигнала применяется при неразрушающем контроле букс подшипников железнодорожных вагонов. При наличии дефекта происходит резкое изменение параметров β и ω.
18
3. Обнаружение усталостных явлений.
Усталостные явления в материале объекта контроля приводят к
изменению параметров β и ω. Например, при экспериментальном исследовании акустических сигналов в тяге самолёта, возбуждённых
ударным воздействием, получены следующие данные.
Частота собственных колебаний перед началом испытаний f1 =
727 Гц, коэффициент затухания β = 1,72 с-1. После 25000 циклов сжатия и растяжения тяги параметры составили: частота собственных
колебаний f2 = 719 Гц, коэффициент затухания β2 = 3,8 с-1. При дальнейшей тренировке объект разрушался.
Таким образом, вибрационно-акустическая диагностика обладает
большими функциональными возможностями.
2.6. Источники акустических сигналов
Природа шумов
Повышенный уровень шума машин и механизмов является признаком какой-либо неисправности. Увеличенные люфты, большой
износ деталей, плохая балансировка вызывают соударение деталей,
вибрации и появление шума.
Различают пять видов шумов контролируемых объектов:
1) механические;
2) аэро- и гидродинамические;
3) акустоэмиссионные;
4) электромагнитные;
5) термоэлектрохимические.
По частотному диапазону шумы подразделяются на два класса:
1) шумы, порождаемые вибрациями или аэродинамическими
процессами, имеют низкий диапазон частот: 10 Гц – 20 кГц;
2) импульсные шумы, например, при акустической эмиссии име-
ют диапазон 50 кГц – 1,5 МГц.
Механические шумы появляются при возникновении люфтов,
износа деталей и при плохой балансировке роторов.
19
Аэро- и гидродинамические шумы связаны с наличием потоков
газов или жидкостей, нарушением режимов работы вентиляторов, насосов или порывами трубопроводов.
Акустоэмиссионные шумы появляются в момент зарождения дефектов в объекте контроля под нагрузкой.
Электромагнитные шумы связаны с работой электрических аппаратов, выключателей, контакторов, реле, пускателей, электромагнитов.
Термоэлектрохимические шумы возникают при наличии электрической дуги, искрении, коррозии.
Шумы в электрических объектах
1. Электродвигатели.
В электродвигателях основными источниками шумов являются
подшипниковые узлы, вибрации магнитного происхождения, дисбаланс ротора и аэродинамические шумы, возникающие при вращении
ротора.
При вращении ротора доля шума на подшипниках опор доходит
до 80 % от общего шума. Износ подшипников сопровождается также
изменением спектра шума, создаваемого этими подшипниками. Анализ шумов электродвигателя позволяет вовремя обнаружить дефекты.
2. Трансформаторы.
Шум трансформаторов является электромагнитным. При намагничивании магнитопровода возникает магнитострикция, заключающаяся в изменении размеров магнитопровода. При частоте питающего напряжения в 50 Гц магнитострикция имеет частоту в 100 Гц, а
гармоники могут достигать частот до 1000 Гц. Дополнительный шум
создаёт вибрация пластин магнитопровода. Нарушение режимов работы трансформатора приводит к изменению параметров его шумов.
3. Электрические аппараты.
Электрические аппараты, реле, пускатели генерируют электромагнитные и механические шумы, возникающие при движении якоря.
Наиболее сильно шум создаётся при ударе якоря о ярмо. При наличии
дефекта интенсивность и спектр этих шумов изменяются.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]