Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-технический контроль и мониторинг процессов горного или нефтегазового производства. Учебное пособие
.pdf
Результаты измерений записать в табл. 3.2.
Таблица 3.2
Xi, cм
ti, мкс
Хi, см
ti, мкс
Xi, cм
ti, мкс
Тип
годографа
Прямой
Встречный
Опережающий
По характерному «излому» годографов определяют местоположе-
ние границы отдельностей
l (см. рис. 3.2).
гр
3.4.3. Определение степени анизотропии
слоистой среды
Измерения производятся методом прозвучивания по всем направлениям, отмеченным на модели слоистой среды. При этом положение источника УЗ сигналов не изменяют. Для каждого положения
приемника рассчитывают скорость продольной волны С
.
Р
Результаты измерений заносят в табл. 3.3.
Таблица 3.3
№
измерений
1 –60
2 –45
… …
9 60
Угол,
град
База прозву-
чивания l
i
Время первого
, см
вступления ti, мкс
Скорость продоль-
ной волны СР, м/с
3.5. Обработка результатов
На основе данных табл. 3.1 вычисляют среднюю скорость продольной волны в отдельности
CC
где n – число измерений.
На основе данных табл. 3.2 строят прямой, встречный и опережающий годографы, как это показано на рис. 3.2. На прямых участках годографа выбирают отрезки ΔX и соответствующие им отрезки
:C
0
n
1
00
n
,
(3.8)
i
1
i
31
Δt. Вычисляют интервальные скорости
X
плексигласа по формуле
i
C отдельно для мрамора и
м
i
C
м
Вычисляют относительную погрешность
(3.9)
.
t
l , %, определения
гр
границы между отдельностями в массиве по формуле
ll
l – измеренное линейкой положение границы между плекси-
где
гр
(3.10)
гр гр
l
гр
100,
l
гр
гласом и мрамором.
По формуле (3.4) вычисляют акустический показатель трещино-
ватости А
.
i
По формуле (3.6) рассчитывают степень трещиноватости массива
i
n , принимая m = 0,1.
тр
На основе данных табл. 3.3 в полярных координатах строят индикатрису скоростей – зависимость скорости распространения продольной волны от азимута наблюдения. Вычисляют коэффициент
анизотропии среды по формуле
K
где С
Рmax
и С
– максимальная и минимальная скорости продоль-
Рmin
= С
a
Рmax
/ С
, (3.11)
Рmin
ных волн.
3.6. Оформление отчета
1. Представить расчеты по табл. 3.1, включая полученное значение
2. По табл. 3.2 построить годографы, на прямых участках которых
определить интервальные скорости
i
C для мрамора и плексигласа.
м
3. Рассчитать акустический показатель трещиноватости А
i
пень трещиноватости массива
n .
тр
4. По данным табл. 3.3 нарисовать индикатрису скоростей, рас-
считать коэффициент анизотропии K
32
.
a
C
0
и сте-
i
.
3.7. Тестовые задания для самопроверки
1. Акустический показатель трещиноватости – это:
а) квадрат отношения максимальной измеренной скорости про-
дольной волны к минимальной;
б) квадрат отношения интервальной скорости к скорости в от-
дельности;
в) квадрат отношения скорости продольных волн в образце к ско-
рости продольных волн в массиве;
г) отношение минимальной скорости продольной волны к макси-
мальной.
2. Размеры
а) D ≥ 3λ
б) l ≥ 4C
в) l ≥ (2…4)λ
образцов должны удовлетворять следующим условиям:
;
Р
;
Р/fобр
;
Р
г) всем вышеперечисленным.
3. Годограф – это:
а) график зависимости скорости прохождения продольной волны
от расстояния между излучателем и приемником;
б) график зависимости времени прохождения продольной волны
от базы измерения;
в) график соотношения максимальных и минимальных скоростей,
измеренных на участке массива;
г) ничего из вышеперечисленного.
4. Местоположение границы раздела двух пород с
разными аку-
стическими свойствами определяется на годографе:
а) по месту характерного излома годографа;
б) в точке пересечения прямого и обратного годографов;
в) по углу наклона прямого годографа;
г) из годографа этот параметр определить невозможно.
5. На рисунке приведен прямой годограф для массива из трех раз-
ных типов пород, обладающих разными акустическими
жесткостями
(ρС), выберете верное утверждение:
а) ρ
б) ρ
в) ρ
г) ρ
> ρ3C3 > ρ2C2;
1C1
> ρ1C1 > ρ1C1;
3C3
> ρ3C3 > ρ2C2;
2C2
> ρ1C1 > ρ3C3.
2C2
33
6. Для определения скорости продольных волн по годографу нужно:
а) отнести приращения баз измерения к приращениям измеренных
времен прохождения продольной волны;
б) разделить базу измерения на измеренное время прохождения
продольной волны;
в) измерить угол наклона годографа и разделить его на время прохождения продольной волны в массиве;
г) определить скорость продольной
волны из годографа невоз-
можно.
7. Опережающий годограф – это:
а) годограф, полученный путем перемещения точек возбуждения
от конца профиля к началу;
б) прямой годограф, начальная точка которого смещена на некоторый фиксированный шаг;
в) обратный годограф, построенный в противоположном направлении;
г) годограф, который строится в первую очередь.
34
Лабораторная работа 4
ВЫЯВЛЕНИЕ ТРЕЩИН В МАССИВЕ
УЛЬТРАЗВУКОВЫМИ МЕТОДАМИ
ПРОХОДЯЩИХ ВОЛН
Цель работы. Ознакомиться с методикой определения геометри-
ческих параметров трещин в массиве горных пород акустическими
методом проходящих волн. Получить практический навык локализации трещин в массиве и конструкциях по измеренным скоростям и
амплитудным характеристикам продольных упругих волн.
4.1. Общие сведения
Отличительной особенностью метода проходящих волн является
расположение области воздействия эксперимента (контролируемой
области горных пород) между излучающим и приемным пьезоэлектрическими преобразователями (ПЭП) ультразвуковых колебаний
(УЗК). С помощью этого метода решаются задачи геоконтроля двух
основных типов, первый из которых связан с интегральной оценкой
акустических (волновых) свойств контролируемой области, а второй – с
выявлением в ней дефектов структуры, в частности трещин.
Традиционный и чаще всего используемый вариант метода проходящих волн предполагает излучение УЗК в виде импульсов, следующих с определенной периодичностью. При этом в качестве информативных параметров контроля используют время t
нения указанных импульсов на базе L между излучающим и приемным
ПЭП, либо амплитуду А принятых импульсов. Измерение t
ствляют специализированными радиоэлектронными УЗ приборами.
Метод проходящих волн часто называют также методом прозвучивания или теневым методом, а в зависимости от используемого
информативного параметра добавляют к этим названиям определения: временной или амплитудный. Различают также метод сквозного
прозвучивания, когда излучающий и приемный ПЭП расположены
на противоположных сторонах
объекта контроля, и поверхностного
прозвучивания, когда оба эти ПЭП расположены на одной его поверхности.
Ультразвуковой метод проходящих волн может использоваться для
контроля горных пород на базах, изменяющихся от нескольких сантиметров до нескольких метров. При этом в качестве исследуемых объек-
распростра-
P
и А осуще-
P
35
тов могут выступать образцы и блоки горных пород, а также непосред-
ственно массив. В последнем случае используют либо межскважинное
прозвучивание, либо каротажные измерения, при которых осуществляется поверхностное прозвучивание вдоль стенки скважины.
Одним из важнейших параметров, характеризующих волновые (акустические) свойства горных пород, является скорость распространения
продольных упругих волн в них
, которая определяется по формуле
С
Скорость С
связана корреляционными связями с рядом свойств
Р
= L / tP. (4.1)
Р
горных пород (например, прочностью, пористостью и другие), используется для изучения и контроля напряженно-деформированного
состояния и устойчивости конструктивных элементов систем разработки, а также контроля процессов искусственного упрочнения и разупрочнения горных пород в массиве.
Выявление дефекта в контролируемом объеме горной породы (в
частности трещины) может осуществляться как амплитудным, так и
временным теневым методом. В первом случае для количественной
оценки выявляемости дефекта (трещины) используют коэффициент
где А
A
KAA
деф деф 0
– амплитуда сигнала при отсутствии дефекта; А
0
(4.2)
/,
– мини-
деф
мальная амплитуда при наличии дефекта.
Коэффициент K
изменяется в пределах от 0 до 1.
деф
Сущность амплитудного теневого метода дефектоскопии иллюстрирует рис. 4.1, где показано как меняются осциллограммы сигналов
на экране УЗ дефектоскопа в условиях соосного положения излучающего и приемного ПЭП при наличии и отсутствии между ними
трещины, а также различной ее протяженности и глубины залегания.
Чувствительность теневого амплитудного
минимальным размером D
плоской дискообразной трещины, кото-
min
метода характеризуется
рая еще может быть обнаружена при условии, что она ортогональна
направлению прозвучивания. Значение D
от трещины до излучающего и приемного ПЭП соответственно, а
и l
2
также длины λ ультразвуковой волны на рабочей частоте f
/ f
чивания (λ = С
)
Р
рез
зависит от расстояний l1
min
прозву-
рез
ll
36
D
min
2
12
. (4.3)
ll
12
A
Рис. 4.1. Схемы теневого амплитудного метода дефектоскопии (а)
и принимаемые сигналы на экране дефектоскопа (б)
(И – излучатель, П – приемник)
Из (4.3) следует, что минимальная чувствительность амплитудного теневого метода имеет место при l
нием базы контроля l = (l
+ l2), а также его рабочей частоты f
1
= l2. В то же время с уменьше-
1
ствительность метода возрастает.
Значение коэффициента
щадью S
можно определить по формулам:
деф
SS
14 1
деф деф
14 1
SS
ПЭП ПЭП
SSS
деф деф ПЭП
l
K
деф
K
деф
для дискообразной трещины пло-
K
деф
при
3;lr
(4.4)
бл
22
l
при
5,lr
(4.5)
бл
рез
чув-
где S
– площадь ПЭП, а rбл – протяженность ближней зоны излу-
ПЭП
чающего ПЭП, зависящая от диаметра d его рабочей поверхности
37
l
S
2
бл
/4 .rd (4.6)
Количественно оценить выявляемость трещиновидного дефекта ко-
нечных размеров теневым методом можно с помощью коэффициента
В
деф деф 0
/,Ktt
(4.7)
где t
и t0 – время распространения УЗ импульса при наличии и от-
деф
сутствии дефекта соответственно.
По сути, коэффициент
В
K отражает относительное изменение
деф
времени распространения УЗ импульса, вызываемое дефектом.
Исходя из представлений лучевой акустики, а также с учетом некторых приближений, чувствительность временного теневого метода
может быть оценена с использованием схемы на рис. 4.2.
1
2
3
4
l
1
Рис. 4.2. Схема к расчету чувствительности УЗ временного теневого
метода дефектоскопии: 1 – объект контроля; 2 – излучающий ПЭП;
3 – приемный ПЭП; 4 – трещина; S – расстояние между осевой линией
ПЭП и ближайшим краем трещины
l
2
Минимальное значение S, которое еще может быть выявлено временным теневым методом, будет характеризовать чувствительность
последнего:
38
ВВ В
lSl
/2 1 .
SlK K K
деф деф деф
22
ll
21
l
(4.8)
Из (4.8) следует, что указанная чувствительность зависит от соот-
ношения l
и l2. При l1 = l2 (трещина находится на равном расстоянии
1
от излучающего и приемного ПЭП) чувствительность метода минимальна и характеризуется величиной
SK
l
min деф
2
2
B
1.
(4.9)
Соотношения (4.8) и (4.9) получены исходя из предположения,
что ПЭП имеют точечный контакт с объектом контроля. Если же
ПЭП имеют конечный диаметр D, то минимальный размер выявляемой трещины увеличивается на D/2
lD
SK
min деф
22
2
B
(4.10)
1.
Отметим, что представленные выше уравнения (4.8) – (4.10) справедливы при условии постоянства скорости распространения УЗК в
объекте контроля, поскольку при их выводе принималось равенство
изменений пути и времени указанного распространения.
Временной метод проходящих волн, реализуемый в варианте прозвучивания, позволяет определить глубину S выходящей на поверхность трещины. Для этого излучающий
и приемный ПЭП устанавлива-
ют симметрично относительно трещины, как это показано на рис. 4.3.
2
1
И
/2
l/2
П
3
4
Рис. 4.3. Схема определения глубины S выходящей на поверхность
трещины с использованием УЗ метода поверхностного
прозвузвучивания: 1 – поверхность объекта контроля;
2 и 3 – излучающий и приемный ПЭП; 4 – трещина
39
Затем измеряют время t
распространения УЗ импульса сначала
деф
на дефектном участке базой l, а затем на той же базе, но на бездефектном участке t
. При этом глубина S трещины определяется по
0
формуле (4.9). Для более точного определения глубины S величину l
отслеживают между внешними контурами ПЭП.
На практике, как правило, имеют место так называемые выклинивающиеся трещины, берега которых с глубиной начинают смыкаться. Это приводит к тому, что полученное по формуле (4.9) значение S
оказывается меньше
реального значения.
В заключение отметим основные достоинства и недостатки амплитудного и временного методов проходящих волн. К достоинствам
обоих методов кроме отсутствия «мертвой зоны» относятся прежде
всего возможность контроля геоматериалов с изменяющимися в широких пределах базами измерений и частотнозависимым затуханием
упругих волн, как на образцах, так и непосредственно в
массиве. К
их недостаткам относятся: зависимость результатов контроля от степени соосности взаимного расположения излучающего и приемного
ПЭП и качества акустического контакта ПЭП с поверхностью ввода и
приема УЗК; необходимость двустороннего доступа к контролируемой
области, невысокая фронтальная разрешающая способность и отсутствие разрешающей способности вдоль направления прозвучивания.
4.2. Контрольные вопросы
1. Что такое продольное акустическое профилирование?
2. В чем различие между кинематическими и динамическими ха-
рактеристиками упругих волн?
3. Опешите достоинства и недостатки использования скорости
продольной волы в качестве информативного параметра поверхностного прозвучивания.
4. Опешите достоинства и недостатки использования амплитуды
первого вступления в качестве информативного параметра поверхностного прозвучивания.
5. С чем
связано непостоянство результатов при использовании дина-
мического информативного параметра для нахождения дефекта в среде.
4.3. Описание лабораторной установки
1. Локализация трещин по динамическим упругим критериям
производится на модели массива горных пород в виде плиты из гранита со скрытой трещиной третьего порядка (рис. 4.4).
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]