БЪЛГАРСКА АКАДЕМИЯ НА НАУКИТЕ

ИНСТИТУТ ПО МЕХАНИКА

София 1113, ул. „Акад.Г.Бончев“ бл.4, тел. +359 2 973 31 40, факс +359 2 870 74 98

маг.инж. Павел Христов Чукачев

„Иновативни ултразвукови методи за контрол на

газопроводи“

АВТОРЕФЕРАТ

на дисертация

за присъждане на научната и образователна степен „ДОКТОР“ по професионално

направление 5.6 „Материали и материалознание“, научна специалност

„Приложна механика“ (Методи за контролиране и изпитване на материали, изделия и

апаратура)

Научен ръководител:

Проф. д.т.н. инж. Митко Миховски

Рецензенти:

…………………………………………………………..

…………………………………………………………..

София, 2017г.

2

Дисертационният труд е разработен в обем от 115 страници и се състои от увод, шест глави,

научни, научно-приложни и приложни приноси, 72 използвани литературни източници, от

които 31 на кирилица и 41 на латиница, 28 използвани стандарти и методики и списък на

публикациите по дисертацията.

Дисертационният труд е докладван, одобрен и насочен към публична защита от НС на

Института по механика на БАН, състоял се на 19.10.2017г. с протокол №9/19.10.2017г.

Защитата на дисертационният труд ще се състои на 18.12.2017 г.от 14.00 часа в зала 200 на

Института по механика на БАН.

Материалите по защитата са на разположение на интересуващите се в стая…………….на

Института по механика на БАН-София, ул.Акад.Г.Бончев, бл.4

Автор: маг.инж.Павел Христов Чукачев

Заглавие: „Иновативни ултразвукови методи за контрол на газопроводи“

3

I. Обща характеристика на дисертационния труд

Актуалност на проблема

Днес проблемите за енергетичната осигуреност на дейността и живота на човека е една от най-важните задачи пред обществото. Тя има икономически и в редица случаи и политически решения. Реализацията на енергетичните проекти (добив на нефт, газ, въглища, построяване на водни, соларни, вятърни, топлинни и атомни централи) е свързано и с реализация на мерки за безопасността на създадените съоръжения. Особено място имат тръбопроводите, не само за пренос на нефт и газ, но и на вода и химически продукти.

В България актуален въпрос е строителството на нови тръбопроводи, както и гарантиране на състоянието на тръбопроводите в експлоатация. Особено отговорни задачи по гарантиране на безопасната работа бе дейността по реализиране на газопровода „Южен поток“, когато започна изпълнението на дисертационната работа.

Основните задачи пред дисертационната работа бяха свързани с осигуряване на апаратура и методи за контрол, с използване на вече доказал своята ефективност ултразвуков метод, с приложение на нов клас осезатели тип фазирана решетка, на времедифракционния метод за контрол и многофункционална автоматизирана апаратура.

Съществено внимание е необходимо да се отдели и на методите за оценка на механичното напрегнато състояние на материала, което е причина за поява и развитие на локални разрушения на тръбопровода, както след изработване така и при експлоатация. Практически в областта за оценка на напрегнатото състояние на тръбопроводи в България отсъствува опит.

Не на последно място е и подготовката на специалисти, които да могат да решават въпросите за безопасната работа на тръбопроводите и оценка на ресурса им. Цел и задачи на дисертационния труд: Формулирана е следната цел на дисертационния труд: Разработане на иновативни методи и средства за безразрушителен контрол на газопроводи. За постигане на зададената цел са формулирани следните основни задачи, които се решават в дисертационната работа: 1. Изследване (теоретично и експериментално) на полето на нормален осезател тип линейна фазирана решетка посредством числено моделиране и използване на метода на течностно моделиране в имерсионна вана. 2. Моделно изследване на акустичния тракт при работа на линеен осезател тип фазирана рещетка при отражение от нецялостности с форма на диск и модели на корозионни повреди. 3. Разработване на подход за определяне на напрегнатото и деформирано състояние на тръбопроводи с използване на ултразвукови и методи чрез пробиване на отвор. 4. Разработване на комплексен подход за оценка на механично напрегнато състояние с използване на повърхностни, подповърхностни и обемни вълни, разпространяващи се в материали на тръбопроводи и в областта на завареното съединение. 5. Разработване на автоматизирано устройство за сканиране с фазирани и ToFD осезатели. Проектиране, разработване и реализиране на механизирани устройства за визуален вътрешнотръбен контрол на тръбопроводи. Разработване на устройства за моделни изследвания тип имерсионна вана. Разработване на призми за фазирани решетки и контролни блокове. 6. Организация на текущ контрол, с използване на безразрушителни методи, за оценка на състоянието на тръбопроводи в опасни места с повишени механични напрежения и възможности за появата на отклонения в структурата и на нецялостности.

4

Научни новости

Предложен и реализиран е теоретично-експериментален метод за оценка на работата на нормален фазиран осезател. Разработен е програмен продукт за пресмятане на акустични характеристики на преобразувателя. На основата на използвания в работата модел са получени нови данни за АРД номограмите на фазиран осезател при работата му във водни среди, които са експериментално потвърдени с използване на специално разработена имерсионна вана с автоматизиран система за преместване на осезателя. Проведено е сравнение на използваните ултразвукови методи с използване на различни типове вълни за контрол на механичното състояние на тръбопроводи. Определени са еластоакустични коефициенти чрез скоростите и времената на разпространение на ултразвуковите вълни, необходими при оценка на механичните напрежения. Научно-приложни новости Разработена е автоматизирана система за ултразвуков контрол на челни заварени съединения в газопроводи с различни диаметри, реализирана с използването на осезатели тип фазирана решетка. Разработен е нов тип уред за визуален контрол на тръбопроводи с камера тип „рибешко око“ с възможности за регистрация на наблюдаваните картини и предвижване с помощта на джойстик. Предложено е създаване на специализирани участъци за периодично изследване на промени в механичното напрегнато състояние на тръбопровода. Получени са нови данни за химическия състав, микроструктура и механичните характеристики на материала на газопровод и на завареното съединение. Реализирано е измерване на механично напрегнато състояние по метода чрез пробиване на отвор „дрил”-метод, данните се използват за сравнение с определеното механично напрегнато състояние чрез ултразвуковите методи. Практическа приложимост

Разработена е технология за произвеждането на сменяеми протектори на осезатели тип фазирана решетка, които позволяват поддържане на контактната течност при реализиране на процепен контакт. Реализиран е, с висока точност, сравнителен (контролен) образец за проверка и настройка при работа с фазирани осезатели, в съответствие с Европейски стандарти. Получени са нови данни за механични напрежения в материала на тръбопровод по оста му в района на завареното съединение и в тръбата. Части от дисертационната работа са използвани при реализиране на изследванията по проект INNOPIPES. Автоматизирана ултразвукова система работеща на принципа на фазираните решетки е използвана в реални условия при строителството на газопровод от фирма Главболгарстрой Интернешънал ЕАД. Разработените материали в дисертационната работа се използват при обучение на специалисти в областта на иновативни ултразвукови методи с използване на ToFD и фазирана решетка, както и акустична тензометрия. Публикации по темата на дисертационния труд Публикациите с основните резултати по дисертационния труд са 12. Две публикации имат SJR фактор. Обем и структура на дисертацията Дисертационният труд е разработен в обем от 115 страници и се състои от увод, шест глави, научни, научно-приложни и приложни приноси, 72 използвани литературни източници, от които 31 на кирилица и 41 на латиница, 28 използвани стандарти и методики и списък на публикациите по дисертацията. Цитираните литературни източници, части от дисертацията, фигури и резултати, съответстват на тези включени в дисертацията.

5

II. Съдържание на дисертационния труд

Глава 1.Развитие на ултразвукови методи за безразрушителен контрол на газопроводи

Представеният материал в глава І има обзорен характер. Разгледана е необходимостта от развитие на газопреносната мрежа до 2020 година с цел оптималното снабдяване на Европа с този енергиен ресурс. Представени са основните характеристики на използваните тръби като вид стомана, начин на заваряване, марка стомана и др. характеристики. Особено внимание е отделено на пораждането на отклонения (от вида на нецялостности, отклонения в размери, поява на механични напрежения и др.) по време на изграждане на газопроводите, ремонта и експлоатацията им. Показана е ефективността от използването на нови иновационни методи и апаратура за достатъчно ранното им откриване, с цел своевременното отстраняване на тези отклонения. Направен е анализ на методите за оценка на механичното напрегнато състояние на материала на тръбопровода. На основата на анализа са формулирани целта и задачите на дисертационната работа. Някои резултати са публикувани в [A3].

1.1 Развитие на газопреносната мрежа в Европа до 2030 година. По време на ІІ юго-източен европейски конгрес на международна организация по

заваряване, състоял се в София през 2014 година бяха, представени данни за необходимите количества газ за удовлетворяване на нуждите от природен газ до 2030 г. Основни доставчици са: Норвегия, Африка, Русия, Каспийски регион, Арабо-персийски регион и Латинска Америка. Предвижда се да се доставят в Европа 715 bcm, като най-значима част 207 bcm ще се доставят от Русия. Разработена бе схема за строеж на нови газопроводи (втори Северен поток, Южен поток, Набуко и др.). В Южен поток бе включено и активното участие на България.

1.1.1 Видове тръбопроводи

В зависимост от флуида, който транспортират, тръбопроводите са: газопроводи,

нефтопроводи и други. Според начина, по който се подава флуида, тръбопроводите биват напорни и гравитационни.

Исторически при строителството на тръбопроводи се използват три основни типа стоманени тръби: до Ø 325 mm – безшевни тръби, до Ø 1000 mm – тръби със спирален или линеен шев, до Ø 1400 mm – тръби с линеен шев.

В близкото минало са били използвани марки стомани Х52 и Х65. През 80 - те години на миналия век се въведоха при строителството на тръбопроводи високояки стомани марки Х70, Х80. Днес се изработват и тръбопроводи от стомана Х100.[1, 2] Днес основните марки стомани, използвани при строителството на газопроводи, са: А25, A25R, X42, X46, X52, X56, X70, X80 според API Specification for Line pipe.[Д1, 1,2]

1.1.2 Използвани материали за заваряване на тръбите в тръбопроводите В периода преди 1975 г. основната технология на заваряване е свързана с прилагане на

ММА процес (ръчно електродъгово заваряване) и свързване на три тръбни сектора в предварителните производствени станции чрез ротацията им и прилагане на заваряване с обмазани електроди (SMAW). Този подход е значително усъвършенстван, когато започва прилагането на целулозни електроди при заваряване на корена на заварените съединения. Това гарантира практическо отсъствие на нецялостности в корена, но повишава изискванията към технологията на заваряване, поради възможността за наличие на свободен

6

водород в завареното съединение. Изискванията към квалификацията на заварчика, към методите на заваряване и към безразрушителния контрол (NDT), също са повишени. За преодоляване на тези проблеми фирма CRC от Хюстън, въвежда MAG оборудване за орбитално заваряване. Първите опити за механизиране на процеса на заваряване са направени през 1940-те години на миналия век, когато се използва процеса на съпротивително челно заваряване с ацетиленокислородно нагряване. През 1958г. научно-изследователската фирма Esso финансира проект в Battelle, Колумбия, Охайо, САЩ. Този проект използва нов процес, наречен дъгово заваряване с електроди в газова среда (GMAW) със защитен газ СО2 [38].

1.1.3 Нецялостности в газопроводи Една информационна таблица с видовeте нецялостности (отклонения) при реализация

на газопроводи и в процеса на тяхната експлоатация е представена на фиг. 1.1.2. Ултразвуковите методи за безразрушителен контрол намират своето ефективно

приложение при откриване и оразмеряване на нецялостности от типа на разслой в изходния материал на тръбопроводи, на нецялостности в заваръчните шевове, при механични повреди, корозионни влияния и др [17].

Ултразвуковата безразрушителна структуроскопия дава задоволителни отговори при откриване на отклонения във физико-механичните свойства, при умора на материала и при оценка на механичното напрегнато състояние на материала на тръбопроводите [1, 4, 5, 6, 12, 16, 18, 33, 61].

Фиг. 1.1.2 Видове нецялостности и отклонения в газопроводи

Разпределението на отказите в газопроводи, по причина на тяхното появяване е представена в таблица 1.1.2, като се използват данни, приведени в [17].

Табл. 1.1.2 - Разпределение на отказите в заварените съединения.

№ Видове откази в газопроводи Разпределение1 Вътрешна корозия и ерозия 2.5 % 2 Външна корозия и корозия под напрежение 29% 3 Повреди при експлоатация 16%

7

4 Нецялостности в тръбите при изработването им 14% 5 Нецялостности на оборудването при доставката 1% 6 Нарушаване на режима на експлоатация 1.5% 7 Нецялостности при монтаж на оборудването 23% 8 Стихийни бедствия 7% 9 Други причини 5% 1.2 Механични напрежения в тръбопроводи 1.2.1 Механични напрежения в заварени съединения. Механичните напрежения съществуват, както в основния материал на тръбите,

вследствие на различните методи за получаването им, свързани с особеностите на механичната им обработка, така и в заварените съединения. Допълнителни механични напрежения възникват в тръбопроводите при неправилен монтаж и позициониране спрямо земната повърхност, както и от налягането на газа в тръбата, наличие на значителни водни стълбове при преминаване на тръбопровода през реки и морета. Счита се, че предварителните механични напрежения в материала на тръбата са неголеми. Традиционно повишени стойности на механичните напрежения се измерват в областта на завареното съединение и в околошевната зона. Най-често повишаване на механичното напрегнато състояние се свързва със заваряването, с процеса на пластична деформация, термообработка и фазови трансформации в материала. [11, 29, 47, 51]

1.2.2 Механични напрежения в изделия и конструкции Съществуват два вида механични напрежения- остатъчни (ОН), които се генерират

при външни въздействия (натоварвания) и собствени напрежения (СН), които съществуват в момента в обекта.

Обект на изследване в дисертационната работа са ОН и СН в материала на обекта и в заварените съединения. ОН се уравновесяват във вътрешността на тръбата. Причини за възникването им са: нееднородност по сечението и на пластични деформации при гореща или студена обработка при подготовка на тръбите, неравномерност на разпределяне на температурата при заваряване, неравномерност по сечението на фазови и структурни промени при температурни въздействия. ОН при пластична деформация при производството на тръбите зависят от температурата, степента и дълбочината на деформиране. При напрежения по- високи от границата на пластичност се наблюдава и появата на повърхностни пукнатини. ОН при заваряване са свързани с температурните режими на нагряване и охлаждане, термични и структурни влияния, промяна на разтворимостта на газове в завареното съединение.

1.3 Безразрушителен контрол на нецялостности и отклонения в заварени съединения 1.3.1 Безразрушителен контрол на нецялостности Исторически контролът на заварени съединения в газопроводи задължително през 60-

те години на 20 век се извършваше по време на строежа с използване на радиационни методи. Основни предимства са: висока чувствителност, възможност на ранно регистриране, документация на контрола и др. Ограничителни условия са високата стойност на контрола, необходимостта от разработка на кролери, на съоръжения за сигнализация, мерките за безопасност на персонала и др. Ултразвуковите методи, които се прилагаха по това време бяха, преди всичко, ръчни и резултатите имаха потвърдителен характер [14, 15, 20, 21, 22, 25, 69, Д8].

8

1.3.2 Времедифракционен метод за ултразвуков контрол Обект на изследване в дисертационната работа е времедифракционен метод (ToFD) за

контрол (фиг.1.3.1) [48, 49, 50].

Фиг.1.3.1 Времедифракционен (ToFD) метод

1.3.3. Ултразвуков контрол с използване на осезатели тип фазирани решетки [10, 11,

39, 48, 49, 50, 53, 57] Използването на осезатели тип фазирана решетка дава големи възможности за

откриване на нецялостности с различна ориентация и посока. (фиг.1.3.2).

а) б)

Фиг.1.3.2 Схеми на прозвучаване с едноелементен а) и фазиран б) осезатели

Схеми на прозвучване с фазиран осезател (ФО) на нецялостности с различна ориентация, са представени на фиг. 1.3.2б. В процеса на работа се променя времето между серия от изходящи ултразвукови импулси по такъв начин, че отделните фронтове на вълната, генерирани от всеки елемент в системата да се комбинират помежду си. Това действие добавя или анулира енергия по предвидими начини, които ефективно направляват и оформят звуковия сноп. Тези ефекти се постигат чрез възбуждане на отделните елементи на осезателя в различно време. Елементите се възбуждат последователно, с цел подобряване на ефективната чувствителност, чрез увеличаване на апертурата. Софтуерът, наречен „калкулатор на фокусни закономерности” установява специфични времена на забавяне на възбуждането на всяка група от елементи, за да генерира желаната форма на снопа, като се вземат предвид характеристиките на осезателя и призмата, както и геометрията и акустичните свойства на изпитвания материал. Програмираната последователност на активиране, избрана от оперативния софтуер на уреда след това стартира редица от отделни фронтове на вълната в изпитвания материал. Тези фронтове на вълната, от своя страна, се комбинират в един първичен фронт на вълната, който се разпространява в изпитвания материал и се отразява от нецялостностите.

9

1.4 Безразрушителен контрол на механични напрежения Първите опити за анализ на теоретичната връзка между действуващите в материала

механични напрежения и скоростите на разпространение на еластичните вълни са свързани с изследванията на Коши и Лаграж. През 20-30 г. на 19 век Ф. Мурнаган изследва взаимодействието между механичните напрежения и деформирането на материала. Доказва принципната възможност за пресмятане на промените в скоростите на разпространение на вълните в зависимост от механични напрежения, като за тази цел използва еластични модули на материала от втори и трети ред [ 35, 2225].

В развитието на съвременната ултразвукова тензометрия съществено влияние оказват изследванията на Ландау, Лифшиц, Гриин, Ривлин и др. Съществено е участието, по-късно на действуващите школи по акустикоеластичност в Украйна и Русия (В. Лямов, Л. Зарембо, В. Гринченко, А. Гуз и др.). Тук трябва да се отбележат и изследванията във ВНИИНК (Кишинев) под ръководството на В. Бобренко, в Института по кибернетика на Естония, в Нижни Новгород ИМаш РАН (Н.Е. Никитина, Б. Коконов) и др. [3, 4, 5, 7, 8, 24, 26, 29, 34, 35, 36, 37, 40, 41, 4345, 46, 52, 55, 56, 60, 66, 67, 72]

Фундаментални и теоретични изследвания се провеждат и във водещи институти на САЩ (Стандфордски университет, Университета в Айова, и др.), в Япония (Университет на Осака, Токийски университет и др.), във Великобритания и Италия и в други научни и приложни центрове във водещите страни.

Проведеният от нас анализ на различните ултразвукови методи, средства и теоретични подходи за ултразвукова оценка на механично напрегнато състояние показа, че е целесъобразно да се разработи комплексен подход, с използване на обемни, повърхностни и подповърхностно разпространяващи се ултразвукови вълни. Особено внимание бе решено да се отдели на изследванията, представени в [26].

Глава 2.Моделно изследване на работата на осезатели тип линейна фазирана решетка

Представен е разработения алгоритъм и програма за пресмятане на акустичното поле

на линеен осезател тип фазирана решетка при работата му в течна среда. Изследван е акустичният тракт при реализиране на ехо-метод при отражение от безкрайна равнина и от моделни нецялостности тип дисков отражател, разположен в течност. Изследван е и акустичен тракт на отражение от моделни нецялостности тип триъгълни канали, които имитират развитие на корозионни повреди. Моделните изследвания са експериментално потвърдени чрез изследване в специално конструирана имерсионна вана и върху специално разработени работни образци с канали. Моделните изследвания позволяват и получаването на АРД зависимости.

Резултатите са отразени в следните публикации [A.1, A.4, А.8]. 2.1 Приложение на осезатели тип фазирана решетка Навлизането на ултразвуковата технология с използване на осезатели тип фазирани

решетки в индустриалния сектор подобри производителността на контрола без разрушаване (КБР). Напредналите компютърни технологии при събиране, обработка и представяне на информацията от контрола се базират на работа на цветно кодирани мултиплексни системи, работещи на принципа на контролираното компютърно закъснение на импулса при излъчването и приемането му, което позволява управление на ултразвуковия сноп.

10

2.2 Поле на линеен осезател в материална среда 2.2.1 Теоретично пресмятане на акустично поле на линейно фазиран осезател Разпространяваните ултразвукови вълни в изследваната среда се представят за ехо-

импулсен метод с хармонична вълна, имаща форма близка до камбановидна, която се дава със следната зависимост

202

02

00 ....0. ttttjeAtA

, (2.2.1)

където А0 е максимална стойност на излъчения импулс, като във всички случаи на представяните в настоящата работа теоретични модели големината на амплитудата на излъчения сигнал приемаме условно А0=1, е- неперово число, 0=2..f0 - носеща кръгова честота, f0 - носеща линейна честота, t - времева скала или обхват, =0.265/n0- коефициент на форма и дължина на импулса, n0 - брой на трептенията в импулса на ниво на амплитудата А=0,5.А0, t0=H(Z)/C - време на разпространение на импулса за изминаване на разстояние H (Z), С – скорост на разпространение на ултразвукова вълна в изследваната среда, j - имагинерна единица.

Схематично на фиг. 2.2.1 е представена една от възможните закономерности на закъсненията за линейно фазиран многоелементен осезател, чрез активна група от елементи с дължина la, образувана от Na броя елемента, с разстояние между тях p=la/Na и дължина на всеки отделен елемент lp.

Фиг.2.2.1 Схема на виртуална активна група на линейно ФО. С Z е означена оста на излъчване на фазирания осезател, Y- активна ос по която се

извършва електронно сканиране, X- пасивна ос, F- фокусно разстояние, Hi - разстояние от центъра на елемент с номер i до оста на излъчване Z на активната апертура от фазирания осезател и hi - разстояние от края на елемент с номер i до оста на излъчване Z. Оста на излъчване за линейно ФО е перпендикулярна спрямо активната Y и пасивната X оси.

Излъчваното поле от елементите на фазирания осезател и отразеното поле от дисковия отражател се заменят с точков източник, за к.а>1, където к е вълново число, а - половината от най-големия размер на правоъгълния елемент lp на фазирания осезател или радиуса на окръжността на дисковия отражател.

Полето, излъчвано от всеки единичен елемент на фазирания осезател EiPA(Z) по

неговата ос, се представя с приближен модел на Кирхоф [11, 13, 14]

, (2.2.2) ii

i

iii

PAi htAPA

h

H

C

HtAPAZE

00 .

11

където 2

2

2

lpHh ii , (2.2.3)

APAi(t0) се изчислява по зависимост (2.2.1). Hi е разстояние между центровете на излъчвателя и отражателя, изчислено по зависимост (2.2.12).

Същият модел се използва и за представяне на отражението от дисков отражател (цилиндър с плоска повърхнина). Модулът на интензитета на полето по неговата ос Id (Z) се дава със зависимостта

2

20

22

0 2.

2

dHtAd

dH

H

C

HtAdZId ii

i

iiii

, (2.2.4)

Na

ii

PAi

PAi

PAi

Na tAZTZEZIPA1

.. , (2.2.6)

където

ZH

ZZT

i

PAi 2

, 202

02

00 .... ii ttttttji

PAi etA

,

ZtZtZt AFi

NFii ,

C

ZZHZt iNF

i

, (2.2.7)(2.2.12)

C

ZFZFZHZt iAF

i

)(,

222

2

1.

NaipZZHi .

2.2.2 Отражение от безкрайна плоскост Решаването на тази задача е представено с използване на метода на мнимия източник

[13, 14]. Всяка точка от преобразователя 1 може да бъде заменена с аналогична така, че да се получи мнима пиезопластина 2 с еднакви характеристики на излъчване, разположена огледално на разстояние 2.rw от преобразователя 1.

Схематично с плътна линия на фиг.2.2.2 е дадено ултразвуковото поле, образувано от излъчваните ултразвукови вълни от преобразовател 1, разпространяващи се по посока на ос O1Z в слой вода с размер rw. Вълните падат нормално към повърхнината на материала (стомана) с акустично съпротивление Zs 45 ac.ohm.

Фиг.2.2.2 Схема на отражение от безкрайна плоскост

12

Мнимият източник заменя отражението на ултразвуковото поле от безкрайната плоскост, приемано от осезателя 1. Част от него, означена с прекъсната линия, съответства на падащото нормално към повърхнината на материала ултразвуково поле. Друга част се припокрива с отразеното на границата течност-твърда среда ултразвуково поле, означено с плътна линия.

Теоретичното изчисляване на излъчен и приет сигнал от линейно ФО, след отражение от плоска повърхнина (дъно), в съответствие с класическите подходи в [11, 13, 14], се записва в следния вид

Na

i

Zwsi

PAi

ii

PAi

weRtAZHZH

ZZEZIB

1

..222

....2

1..2 , (2.2.13)

където w е коефициент на затихване на ултразвуковите вълни във водата, Z е разстоянието от преобразователя до отразяващата повърхнина на материала, Rws е коефициент на отражение по амплитуда на ултразвукови вълни, нормално падащи на границата течност-твърдо тяло. Всички останали означения в зависимост (2.2.13) са описани по-горе в настоящата глава.

2.2.3. Отражение от дисков отражател В тази задача се отчитат акустичните характеристики на моделираните ултразвукови

вълни, излъчвани от отделните елементи на ФО в средата и отражението им от изкуствена нецялостност тип плоскодънен отвор (дисков отражател). Моделът на задачата се разработва за случая на разположение на центъра на ФО и отражателя на една ос, нормално ориетирани един към друг. Това е традиционния подход, при който ехото има максимум. Практическото приложение на така разработения модел е за разработване на АРД-диаграми за линейно ФО.

Теоретичното изчисляване на излъчен и приет сигнал от линейно ФО, след отражение от дисков отражател, в съответствие с класическите подходи се записва в следния вид [11, 13, 14]

Zws

Na

i i

i weRZH

Zd

S

sZIBZID ..2

1

....

. (2.2.15)

2.2.4. Отражение от безкрайна плоскост (дънно ехо) При падане на ултразвуковото поле, излъчено от преобразователя 1, върху горната

повърхнина на материала (стомана) ултразвуковите вълни частично се отразяват, какъвто е случая в т.2.2.2 и частично преминават във втората среда. На втората дънна повърхнина, преминалите ултразвукови вълни, означени с двойна плътна линия, се отразяват и отново преминават границата твърда среда-течност, преди да попаднат в преобразователя 1.

Разликата в скоростите на ултразвуковите вълни в двете среди изменя характера на насоченост на разпространяваното ултразвуково поле в течността, след преминаване на границата течност-твърдо тяло. В този случай е удачно отново да се използва метода на мнимия източник, като ултразвуковото поле се разглежда само в твърдата среда, а течната среда се заменя с твърда среда.

13

Фиг.2.2.3 Схема на отражение от безкрайна плоскост (дънно ехо)

2.2.5. Отражение от неравна повърхнина на границата течна-твърда среда Предполага се, че периодичната неравност се образува от един и същ вид

нецялостности, последователно разположени на известно разстояние в изпитваната среда. Те променят насочността на ултразвуковото поле, в зависимост от геометричните им характеристики, което води до изменение на информационните характеристики на приетият импулс, в сравнение със същите от среда без наличие на нецялостности [19].

Излъчваните ултразвукови вълни от преобразователя 1 се разпространяват в течната среда нормално към неравностите, идентично както това е показано на фиг.2.2.2. Отразените ултразвукови вълни от неравностите се разсейват и променят насочеността на ултразвуковото поле, дадено с плътна линия на фиг.2.2.4, вследствие на което по-малка част от отразения сигнал попада обратно в преобразователя 1 и променя характеристиките на приетия сигнал, в сравнение със същите от гладка повърхнина. Схемата на изследването е представено на фиг.2.2.4.

Фиг.2.2.4 Схема на отражение от неравна повърхнина на границата течна-твърда среда

14

2.3. Резултати от теоретични пресмятания Предимство на модела е, че вместо да се използва разпространения числен метод

“изкуствено фокусиране на апертури” (synthetic aperture focusing technique) даден в [53] се работи с полето на една апертура с ос на излъчване Z насочена към центъра на отражателя. Това намалява значително времето за пресмятане.

Пресмятанията се провеждат за една активна група от линейно ФО с брой на елементите Na = 32 и дължина la = 19.2 mm, за закономерности на закъсненията при фокусни разстояния F = 15 mm, 30 mm, 45 mm, 60 mm, 100 mm и 10000 mm. Дължината lp на елементите в активната група e 10 mm, разстоянието между тях p = 0.6 mm.

Акустичните характеристики, използвани за пресмятанията на излъчваните от елементите импулси в среда вода са: номинална честота f = 5MHz, скорост на надлъжна ултразвукова вълна C = 1.5 km/s, брой трептения на импулса на ниво половината от максимумат му n0 = 1, дължина на импулса на половината от максимумат му 200 ns.

2.3.1. Отражение от безкрайна плоскост Пресмятанията за амплитудата на отражен от безкрайна равнина сигнал се провеждат

по зависимост (2.2.13). На фиг.2.3.1 са представени резултати за стойности на амплитудата на полето IB (Z) от разстоянието по акустичната ос Z, нормирана към Z = 15mm.

-40

-30

-20

-10

0

10

20

5 84 163 242 321 400Z,mm

IB(Z

)/IB

(15

mm

),d

B

F=10000mm F=15mm F=30mmF=45mm F=60mm F=100mm

Фиг.2.3.1 Зависимости на амплитудата IB (Z) на отразения сигнал от плоска повърхнина разположена на разстояние Z от активната група

2.3.2. Отражение от дисков отражател Пресмятанията на отразения сигнал от цилиндричен отражател с плоска повърхнина с

диаметър d = 4mm се провеждат по зависимост (2.2.15) за случая на нефокусиран линейно фазиран осезател с F = 10000 mm. На фиг.2.2.7 са представени резултати за стойностите на амплитудата на полето ID (Z) от разстоянието по акустичната ос Z, нормирана към амплитуда отразена от дъно IB (Z) на разстояние Z = 15 mm.

15

-40

-35

-30

-25

-20

5 84 163 242 321 400Z,mm

ID(Z

)/IB

(15

mm

),d

B

Фиг.2.3.2 Зависимост на амплитудата ID (Z) на отразен сигнал от дисков отражател с d = 4 mm, разположен на разстояние Z от активната група

2.3.3. Построяване на АРД - номограми АРД - номограмата (амплитуда - разстояние и диаметър на отражателя) е приета да се

използва за настройване на амплитудата при характеризиране и оразмеряване на нецялостности в материалите, съгласно изискванията на стандард БДС EN ISO 16827. За еднолементни конвенционални осезатели тя е много разпространена и лесна за изчисляване [9,13,14], докато за фазирани многоелементни осезатели има малко литературни данни и резултати от нейното изчисляване [10,11].

В настоящата работа са проведени пресмятания по зависимости (2.2.13) и (2.2.15). Получените резултати за АРД - номограми на линейно ФО при отражение от дъно и от дисков отражател са представени на фиг.2.3.3 за активна група с Na = 32 броя елементи и разстояние между елементите p = 0.6 mm. Пресмятанията се провеждат за отражение от дискови отражатели с диаметри d = 2 mm, 4 mm, 6 mm и 8 mm, разположени на разстояние Z от 5 mm до 400 mm пред осезателя в среда вода, през 5 mm. АРД-номограмите са построени за нефокусиран с F = 10000 mm и за фокусиран с F = 15 mm, 30 mm, 45 mm, 60 mm и 100 mm линейно фазиран осезател. Фокусното разстояние F е дадено над всяка от АРД - номограмите. По абсцисата е дадено разстоянието Z, а по ординатата е дадена амплитудата I (Z), нормирана към Z = 15 mm.

F=10000mm

-50

-30

-10

10

5 84 163 242 321 400Z,mm

I(Z

)/I(

15

mm

),d

B

дънен сигнал d=8mm d=6mm d=4mm d=2mm

а) нефокусиран с F=10000mm

F=15mm

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

5 84 163 242 321 400Z,mm

I(Z

)/I(

15

mm

),d

B

дънен сигнал d=8mm d=6mm d=4mm d=2mm

б) фокусиран с F=15mm

F=30mm

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

5 84 163 242 321 400Z,mm

I(Z

)/I(

15

mm

),d

B

дънен сигнал d=8mm d=6mm d=4mm d=2mm

в) фокусиран с F=30mm

F=45mm

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

5 84 163 242 321 400Z,mm

I(Z

)/I(

15

mm

),d

B

дънен сигнал d=8mm d=6mm d=4mm d=2mm

г) фокусиран с F=45mm

16

F=60mm

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

5 84 163 242 321 400Z,mm

I(Z

)/I(

15

mm

),d

B

дънен сигнал d=8mm d=6mm d=4mm d=2mm

д) фокусиран с F=60mm

F=100mm

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

5 84 163 242 321 400Z,mm

I(Z

)/I(

15

mm

),d

B

дънен сигнал d=8mm d=6mm d=4mm d=2mm

е) фокусиран с F=100mm

Фиг.2.3.3 АРД - номограми на линейно ФО с фокусно разстояние F и активна група с Na = 32 броя елементи

2.4.1 Метод на моделиране на разпространението на еластични вълни в течни среди Този метод е намерил широко приложение при изучаване на особеностите на

акустичния тракт в ултразвуковата дефектоскопия [9]. Средата, в която се разпространяват ултразвуковите вълни е течност (вода, масло и др.). Образците, които се изследват се изработват от метал, пластмаса или други материали. Основно предимство на метода е възможността с неголеми усилия да се реализира многовариантност на изследванията.

При интерпретиране на резултатите е важно да се отчита факта, че във вода скоростта на разпространение на ултразвуковите вълни е приблизително 4-ри пъти по-малка от скоростта в стомана, съответно дължината на вълната е почти 4 пъти по-малка при зададена честота.

Ултразвуковото изпитване е подготвено и проведено в акредитирана лаборатория “Мултитест” ООД. Блок схема за работата с имерсионната вана е дадена на фиг.2.4.1 и включва: 1- ултразвуков апарат OmniScan MX2, 2- енкодер, 3- фазиран осезател 5L64I1 4- имерсионна вана с дестилирана вода, 5- изпитвани цилиндрични образци с плоски дъна , ориентирани нормални на падащият ултразвуков сноп и образци с неравна повърхнина. Блок-схема на изпитванията е дадена на фиг.2.4.1а и на фиг.2.4.1б.

а) изпитване на цилиндрични дискови

отражатели

б) изпитване на образец с неравна

повърхнина Фиг.2.4.1 Блок-схема на механизирано имерсионно изпитване с линейно фазиран

осезател

2.5.1 Експериментални резултати при изследване на отражението от плоски дискови отражатели

На фиг.2.5.1 е представено типично С - изображение (изглед отгоре) на сигнали получени за отражател с d = 4 mm. Използван е цветен код даващ стойностите на амплитудата от 0% (отговаря на бял цвят) до 100 % (отговаря на червен цвят) от екрана. На фиг.2.5.1а и на фиг.2.5.1б са представени С - изображения на отразените сигнали, съответно за нефокусиран при F = 10000 mm и фокусиран с F = 45 mm линейно електронно ФО за едно автоматизирано сканиране по ос X.

17

а)

б)

Фиг.2.5.1 С-изображения на отражения от дискови отражатели за нефокусиран а) и фокусиран б) линейно фазиран осезател

Типични експериментални резултати от изследване на амплитуди I (Z) са представени

на фиг.2.5.2 във функция от разстоянието по ос Z до отражателя. Резултатиге от теоретичните изследвания са означени с Т.

F=10000mm

-40

-30

-20

-10

0

10 20 30 40 50 60Z,mm

I(Z

)/I(

15

mm

), d

B

T(d=8mm) T(d=6mm) T(d=4mm) T(d=2mm)E(d=8mm) E(d=6mm) E(d=4mm) E(d=2mm)

а) нефокусиран линейно фазиран осезател с F=10000mm

18

F=15mm

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10 20 30 40 50 60Z,mm

I(Z

)/I(

15

mm

), d

B

T(d=8mm) T(d=6mm) T(d=4mm) T(d=2mm)E(d=8mm) E(d=6mm) E(d=4mm) E(d=2mm)

б) фокусиран линейно фазиран осезател с F=15mm

F=30mm

-40

-30

-20

-10

0

10

10 20 30 40 50 60Z,mm

I(Z

)/I(

15

mm

), d

B

T(d=8mm) T(d=6mm) T(d=4mm) T(d=2mm)E(d=8mm) E(d=6mm) E(d=4mm) E(d=2mm)

в) фокусиран линейно фазиран осезател с F=30mm

Фиг.2.5.2 Теоретично и експериментално получени амплитуди на отразените сигнали от дисков отражател с диаметър d за фокусно разстояние F и активна група с Na = 32 броя

елементи

Записите на амплитудите в С - изображенито (изглед отгоре) за СО 4 и СО 6 са представени в цветен код на фиг.2.5.3. За да се наблюдават заедно С-изображенията от изпитваните СО, са записани два скана, представени на фиг.2.5.3а и на фиг.2.5.3б, съответно, за горната и долната повърхнини на която са разположени неравностите.

а)

19

б)

Фиг.2.5.3 С-изображения за амплитудата на отразени сигнали от неравна повърхнина разположена на горната а) и долната повърхнина б) на изпитваните СО за линейно

фазиран осезател, фокусиран на неравната повърхнина

Резултатите от изследванията за амплитудата на отразени от горната повърхнина сигнали са означени с PA-5L64I1 (60 deg) и с PA-5L64I1 (120 deg), съответно, за ъгъл на неравностите = 60 и = 120 на фиг.2.5.4 за две дължини на ултразвуковата вълна w = 0.3 mm и s = 1.18 mm. Резултатите за амплитудите на отразени сигнали от неравности, разположени на дъното на образеца са дадени с буква b.

На фиг.2.5.4 са представени също така резултатите дадени в [19, 58, 59] за s = 1.48 mm, проведени в контактен вариант с ултразвукова апаратура EPOCH 600 и нормален съвместен осезател K4N (f = 4 MHz), с диаметър на пиезопластината 10 mm. Те са означени с NP-K4N (60 deg) и NP-K4N(120 deg), съответно, за ъгъл при върха на неравностите = 60 and = 120 .

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5Rt/w(s)

A,d

B

PA-5L64I1(60deg) PA-5L64I1(120deg)NP-K4N(60deg)-b NP-K4N(120deg)-bPA-5L64I1(60deg)-b PA-5L64I1(120deg)-b

Фиг.2.5.4 Амплитуди на ехата от неравна повърхнина с височина Rt

На фиг.2.5.4 се наблюдава запазване на характера на зависимостта на амплитудата на отразения от неравна спрямо гладка повърхнина сигнали, получена с нормален едноелементен и ФО. Предполага се, че малките разлики в зависимостите, получени с двата преобразователя, са вследствие на различната форма на ултразвуковите преобразователи и различните варианти на контакт.

20

Глава 3. Приложения на ултразвукови системи и устройства за контрол на нецялостности в газопроводи

Представени са базови изследвания на физикомеханичните характеристики, химическите свойства и структурата на материала и заварени съединения в газопроводи. С използването на разработената под ръководството на докторанта автоматизирана система в Мултитест ООД са проведени изследвания по откриване и характеризиране на моделни и реални нецялостности в материала. Част от получените данни при ултразвуковия контрол са верифицирани чрез реализация на радиационен контрол. Представени са и разработените приспособления за визуалнооптичен контрол на тръбопроводи [А2, А3, А5, А9].

3.1.1 Механични изпитвания

Табл.3.1.1 Механични характеристики на материала на тръбата

Механична характеристика По БДС EN ISO 3183 Измерени от ЛИ към

Мултитест ООД стойности

Граница на провлачване RP0.2, MPa (360 ÷ 530) 365

Якост на опън Rm, MPa (460 ÷ 760) 566

Относително удължение А, % - 25.9

Плътност ρ, g/cm 7.85 -

Модул на еластичност, Е, GPa 208 -

Приведени са и допълнителни изпитвания на огъване и ударна жилавост на материала.

Определен е химичния състав и марка на стоманата. 3.1.2 Металографски анализ на структурата на материала Изпитването е извършено съгласно БДС EN ISO 17639 и БДС EN ISO 5817. 3.1.2.1 Макроструктурен анализ на основен материал и заварено съединение 3.1.2.2 Микроструктурен анализ Образците за микроструктурния анализ са подготвени чрез специализирана система за

шлифоване и полиране на образци, състояща се от: Struers-Tegra Pol35, Tegra Force5, Tegra Doser5. Микроструктурният анализ е проведен чрез използване на микроскоп Leica DM 6000M, като за обработка на изображението се използва софтуер LAS V 3.7.

На фиг.3.1.2., фиг.3.1.3. и фиг.3.1.4 са представени, съответно, микроструктури в близост до външната повърхност на тръбата в средната част и до вътрешната й повърхност. Микроструктурата е оценена, в съответствие с БДС EN ISO 643, като ферито-перлитна дребнозърнеста. Оценен е и средния размер на зърната.

21

Зона 1 - в близост до външна повърхност на тръбата

увеличение х 100 увеличение х 500

Микроструктурата е ферито-перлитна дребнозърнеста. Индексът на зърната G=7, съгласно БДС EN ISO 643. Средният диаметър на зърната за индекс G=7 е D=31,2 µm Фиг.3.1.2

увеличение х 1000

Зона 2 – средна част на тръбата

увеличение х 100 увеличение х 500

увеличение х 1000

Микроструктурата е ферито-перлитна дребнозърнеста с ярко изразена ивичност. Индексът на зърната G=8, съгласно БДС EN ISO 643. Средният диаметър на зърната за индекс G=8 е D=22,1µm Фиг.3.1.3

22

3.2 Автоматизиран контрол на заварено съединение Заданието включва иновативен подход за повишаване на точността и

информативността на контрола с помощта на: изпитване на ToFD метод, фазирани осезатели, характеризиране на нецялостностите, реализиране на процепен акустичен контакт, механизирано движение на блока с осезателите и др.

При контрола се реализират различни схеми на секторно и линейно сканиране. Настройките се извършват със специално конструирани и разработени сравнителни

образци. Резултатите от сканирането са представени на фиг.3.2.4 и фиг.3.2.5. 

Фиг. 3.2.4 Резултати от секторно сканиране на тръба с дебелина 15mm с пукнатини и

непровари в корена.

Фиг. 3.2.5 Резултати от линейно сканиране на тръба с дебелина 15 mm с пукнатини и

непровари в корена.

23

3.2.3. Описание на разработената автоматизирана система Блок схемата за автоматизирана система за контрол на заварени съединения е

представена на фиг. 3.2.6.

Фиг.3.2.6 Блок схема за автоматизирана система за контрол на заварени съединения

Фиг.3.2.7 Общ вид на автоматизирана сканираща система, използваща осезатели тип

фазирана решетка

3.2.4. Приложение на системата за откриване на нецялостности Бяха проявени усилия за намирането на заварени съединения с реални нецялостности.

В процеса на верификация на системата разполагахме с няколко нецялостности тип пора, непровар, несплавяване и пукнатина. Тези нецялостности бяха потвърдени чрез провеждане на радиационен контрол, в съответствие с БДС EN ISO 17636-1 [Д10].

Допълнително нецялостностите бяха регистрирани и при провеждане на целенасочен ръчен контрол с използване на обикновени ъглови и специализирани осезатели тип фазирана решетка.

24

Автоматизираната система се използва за откриване и характеризация на нецялостностите по местоположение и големина чрез гейтове (отсечки) ограничени по време и амплитуда от дефектоскопа. Регистрацията на индикациите се осъществи на базата на Workmanship критерии, на базата на действащи международни стандарти API 1104, ISO 13847, БДС EN 14163, БДС EN 16018, БДС EN ISO 11666, БДС EN ISO 17640 и БДС EN ISO 13588. [Д1, Д6, Д13, Д17, Д18, Д22, Д26]

Получените изображения с разработената ултразвукова система и радиограми от радиографичен контрол са дадени на фиг.3.2.9 и фиг.3.2.10, съответно, за случая на изследваните нецялостности тип несплавяване и непровар.

а) резултати от ултразвуково изпитване

б) радиограма от радиографичен контрол

Фиг.3.2.9 Несплавяване

а) резултати от ултразвуково изпитване

25

б) радиограма от радиографичен контрол

Фиг.3.2.10 Непровар

Последователно резултатите от ултразвуковия контрол са представени в изображения A, C, D (End). В средата е представено А- изображение. Под него е представено D (End) изображение, вляво и вдясно- C изображения. Анализът показва, че резултатите получени с радиографичния контрол потвърждават данните от ултразвуковото автоматизирано изпитване.

Изпитване на заварено съединение с наличие на пористост и пукнатина при контрол с автоматизираната ултразвукова система, са представени на фиг. 3.2.11 и 3.2.12, получените резултати са във вид на А, С и Е - изображения.

Фиг. 3.2.11 Пористост

Чрез специална програма за проследяване на ултразвуковите лъчи (Ray Tracing - RT) е

представена възможността за позициониране на регистрираната нецялостност в завареното съединение.

3.2.5 Реализация на ToFD метод с разработената система За контрол с използване на ToFD метод се използват два еднотипни специализирани

осезатели 5 MHz – тип C 567 SM с призми 70°. Осезателите са съосно разположени, перпендикулярно на оста на завареното съединение. Разстоянието между осезателите се определя от дебелината и вида на завареното съединение и допълнителните изисквания на фирмата производител. За работа по ToFD метода в механичната система са направени съответните приспособления за монтаж на носачите с осезатели.

Фиг.3.2.13 Моделно изследване на заварено съединение по ToFD метода На фиг. 3.2.14 е представен запис от екрана на дефектоскоп при контрола на заварено

съединение с нецялостности.[Д14,Д15] В лявата част е представено A-изображение на недетектиран ултразвуков сигнал, а в дясната- резултати от В сканиране.

26

Фиг.3.2.14 Използване на ToFD метода за регистриране на нецялостности в завареното

съединение.

3.3 Автоматизирана видеосистема за вътрешно тръбен контрол на тръбопроводи- Каросел 813.

Конструкцията съдържа LED система за осветление, която гарантира осветеност на

вътрешната част на тръбата 2000lx. В средната носеща част на осветителната система е разположен видеокамера тип “рибешко око”. Системата за осветление и визуален контрол се придвижва в тръбата посредством стъпков мотор с планетарен редуктор с локално батерийно захранване. Придвижването се извършва върху система от четири ролки. Системата позволява съхраняване на информацията върху магнитен носител. Управлението на движението на кролера се извършва дистанционно, чрез подходяща радиосистема, а събирането на данните- чрез програмен продукт. Скоростта на движение е от порядъка на 150 mm/s. Анализът на регистрираните несъвършенства в материала на тръбата и заварените съединения се провежда от специалист- оператор чрез наблюдение на получените записи на персонален компютър. Предстои въвеждането на програма за оценяването на размерите на нарушенията и точното им позициониране спрямо завареното съединение. На фиг 3.3.1 и фиг.3.3.2 са показани, съответно, кролера „Каросел 813“, монтиран в тръба и регистрирани типични следи от корозия.

Фиг. 3.3.1 Кролер Каросел 813 Фиг.3.3.2 Корозия Камерата е от типа 4K (4096 x 2160 пиксела). Разделителната способност, оценена по

системата USAF e 14.25 µm ( номер на група 31, номер на елемента 6).

27

Глава 4. Ултразвукова безразрушителна тензометрия на газопроводи Представени са теоретични данни за пресмятане на промените в скоростите на

разпространение на надлъжни, напречни, повърхностни и подповърхностни вълни в материала на тръбопроводи. На основата на експериментални данни от изпитвания на сравнителни представителни образци са получени еластоакустични коефициенти за връзката между скоростите на вълните и действуващите механични напрежения.

За оценка на остатъчни механични напрежения в материала на тръбата е приложен тензометричен метод чрез пробиване на отвори („дрил“ - метод).

Резултатите са качествено потвърдени с оценка на механични напрежения, по дължина на тръба от газопровод.

Резултатите са отразени в следните публикации [А6, А7, А10, A11, A12] 4.1 Основни методи за безразрушителна ултразвукова тензометрия Развитието на методите за безразрушителен контрол по отношение на достигане на

по-висока точност, както и изучаване на връзката между безразрушителните характеристики и действуващите и остатъчни напрежения в стомани позволи да се прецизират серия от методи, които са предпочетени при оценка на механичното напрегнато състояние на материала на тръбопровода и на областта около реализираните заварени съединения. В таблица 4.1.1 са представени част от основните им характеристики. Като се изхожда от приложимостта и постигнатите добри реализации в таблицата е включен и метода с пробиване на отвори („дрил“ метод). Таблицата е подготвена на основата на направения анализ на методите в [3-5, 7-8, 26, 30, 32-37, 41, 43-45, 52, 55, 61, 64-68, 71, Д4, Д25 и Д26].  

Досега отсъствуват данни за едновременно прилагане на ултразвукови обемни, подповърхностни и повърхностни вълни за оценка на механичните напрежения.

 

4.2.1. Общи основи на метода чрез пробиване на отвори Методът чрез пробиване на отвори е един от широко използваните

полуразрушителни методи за определяне на остатъчните напрежения в материала. Определят се остатъчните деформации и се пресмятат остатъчните напрежения по посока, знак и големина. Повредата, причинена на материала, представлява недълбок, с малък диаметър цилиндричен отвор, който е допустим или може да се ремонтира [71 и Д4].

Методът се реализира чрез пробиване с цилиндрично свредло (с диаметър до 1.8 mm) на отвор с дълбочина до 2 mm в изследваната точка на материала. Чрез подходящо прикрепени тензорезистори около отвора се определят създадените деформации на всяка стъпка на пробиване на отвора. По получените деформации, с използване на подходящи процедури, се пресмятат остатъчните напрежения. За всяка използвана розетка от тензорезистори се пресмятат калибровъчни константи като се предполага и познаване на модулите на еластичност на материала и механичните му характеристики.

28

Фиг.4.2.1 Геометрия на отвора и остатъчни напрежения- (а) равномерни напрежения, (b)

неравномерни напрежения

4.2.2. Техническа реализация на метода Съгласно инструкцията за работа на уреда MTS 3000 RESTAN на фирма SINT

Technology- Италия [71] се препоръчва да се работи с тензометрични розетки тип А, В или С. При проведените в дисертацията експерименти се разботи с розетка тип А, като се спазват изискванията за диаметрите на пробивните свредла и препоръчителни стъпки по дълбочина на отвора.

4.2.3. Алгоритъм за пресмятане на остатъчни напрежения По-долу е представен алгоритъм за пресмятане на остатъчни механични напрежения в

материала, в съответствие с ASTM E 837 [Д5] и изследвания, отразени в [35, 55, 65 и 70]. 4.2.3.1 Алгоритъм за пресмятане на равномерни по дълбочина напрежения в “тънък”

работен обект Алгоритъмът включва следните стъпки: - по определените относителни деформации 1, 2 и 3 се пресмятат комбинираните

деформации p, q и t по зависимости 2/13 ε+ε=p , 2/13 εε=q , 2/2 213 εε+ε=t , (4.2.1) - (4.2.3)

- определяне на числените стойности на калибровъчните константи и в зависимост от типа на използваната розетка и диаметър D на отвора (по предоставената към устройството методика и таблици);

- пресмятане на комбинираните механични напрежения P, Q и T по зависимости

ν+a

Ep=

σ+σ=P xy

12

,

b

Eq=

σσ=Q xy

2,

b

Et=τ=T xy

, (4.2.4) - (4.2.6)

където Е е модула на еластичност на материала, - коефициент на Поасон, P – изотропно (равнинно-двуосно) напрежение, Q – напрежение на 45 и T – напрежения по xy.

- пресмятане на механични напрежения x, y, xy по зависимости QPx , QPy , Txy (4.2.7)-(4.2.9)

- пресмятане на min и max

22 T+Q±P=σ,σ minmax . (4.2.10)

29

- пресмятане на посоката на главните напрежения чрез ъгъла , определян по посока и обратно на часовниковата стрелка от датчик 1 или датчик 2, съответно за случая даден на фиг.4.2.2 чрез зависимост

Q

T=β arctan

2

1. (4.2.11)

4.3. Акустична тензометрия Акустичната тензометрия (АТ) представлява методи за диагностиране на напрегнатото

– деформирано състояние на материала, на основата на изследване на характеристиките на еластичните вълни, които се разпространяват в материали (амплитуда, скорост, поляризация, и др.). Тези зависимости са обект на изучаване в нелинейната акустика.

4.3.1. Основни задачи на акустичната тензометрия Акустичната тензометрия си поставя следните основни задачи: - по резултати от акустични изследвания, при известни механични натоварвания, се

определят еластичните характеристики на средата (модули от втори ред); - определяне на механичното напрегнато състояние на материала по данни от

акустични измервания, познаване на въздействието на механичните напрежения, температурни, магнитни и др. въздействия.

В твърдо тяло, по всяка една координата Х, могат да се реализират 3 независими обемни вълни (една надлъжна и 2 напречни) с различни скорости и при взаимна ортогонална поляризация.

В случая на едноосно напрегнато състояние на материала по оста ОZ относителната промяна на скоростите се представят с израза

zzz

ikzikC . (4.3.9)

Акустикоеластични коефиценти βik при тримерно напрегнато състояние се

представят с модулите на еластичност λ, µ и коефициенти на Мурнагана- l, m и n. Акустикоеластичен коефициент за

скоростта Акустикоеластичен коефициент за

времето на разпространение

βzz=15λ+ 10μ+

4λ2

μ+2(l+ 2m+

2λmμ )

2(3λ+ 2μ)(λ+ 2μ)αzz=

9λ+ 6μ+2λ2

μ+2(l+2m+

2λmμ )

2(3λ+ 2μ)(λ+ 2μ)

βxx=− 2λ+

λμ

(λ+m)− l

2(3λ+ 2μ)(λ+ 2μ)=βyy αxx=

− 2λ+λμ

(λ+ 2m)− 2 l

2(3λ+ 2μ)(λ+ 2μ)=α yy

βxy=− 2λ+ (λ+μ) n

2μ−m

2μ(3λ+ 2μ)=βyx αxy=

− λ+ (λ+μ) n2μ

− m

2μ(3λ+ 2μ)=αyx

βxx=− λ+ 2μ+m+

λn4μ

2μ(3λ+ 2μ)=βyz αxz=

− 2(λ+ 2μ)+m+ λn4μ

2μ(3λ+ 2μ)=αzx=αzy=α yz

30

Акустикоеластичен коефициент за скоростта

Акустикоеластичен коефициент за времето на разпространение

βzx=− 4(λ+μ)+m+ λn

4μ2μ(3λ+ 2μ)

=βzy

4.3.3 Теоретични основи на ултразвуковия метод на Никитина 4.3.3.1 Метод на Никитина [26] В тази част на дисертацията се разглеждат методическите основи на използване на

акустикоеластичния ефект за определяне на равнинно напрегнато състояние на материали с помощта на надлъжни и напречни ултразвукови вълни, които се разпространяват нормално към равнината, в която действат механичните напрежения. Те са предложени и най-подробно представени в монография [26]. Представената методика от Никитина Н.Е. е резултат от анализ и обобщаване на натрупан опит в тази област от Гузь А.Н., Бобренко В.М. и други изследователи [38].

На фиг. 4.3.1 е представен един от практическите случаи, при който съществува възможност за експериментално реализиране на акустична тензометрия с помоща на обемни ултразвукови вълни, които се разпространяват нормално на плоскостта на действащите напрежения. Тук xi са координатни оси, i – действащи напрежения, ui – премествания във вълните, vi – посока на разпространение на надлъжни и напречни ултразвукови вълни.

Фиг.4.3.1 Посока на действащите механични напрежения и на поляризираните

напречни вълни V.

Изхождайки от теорията на линейната акустоеластичност, за скоростите на разпространение V1, V2 и V3 по ос x3 за случая на образец, показан на фиг.4.3.1, натоварен с механични напрежения 1 и 2, (плоско напрегнато състояние) може да се запишат следните съотношения:

)σk+σk+(V=V 2211011 ..1. , )σk+σk+(V=V 2112022 ..1. , )σk+σk+(V=V 2313033 ..1. (4.3.12) - (4.3.14)

където V1 и V2 са съответно, скоростите на разпространение на напречните вълни с различна поляризация, V3 – скорост на разпространение на надлъжната вълна. Скоростите, означени с

индекс 0i са определени в материал при отсъствие на механично напрежение, спрямо което се оценяват отклоненията на механичните напрежения. Всички вълни се разпространяват по радиуса на тръбата, ki са еластоакустични коефициенти. 1 и 2, са съответно, механични напрежения по образуващата и по периметъра.

Системата уравнения за определяне на главните напрежения могат да се запишат във вида [26].

31

1...0

01

12211

L

t

t

L=σk+σk , 1...

0

02

22112

L

t

t

L=σk+σk , 1...

0

03

32313

L

t

t

L=σk+σk (4.3.15) - (4.3.17)

където L0 и L са, съответно, пътищата на разпространяващите се вълни преди и след действие на механични напрежения, t0i и ti - времената на разпространение на вълните, съответно, преди и след прилагане на напреженията 1 и 2.

Никитина предлага, чрез заместване на уравнение (4.3.17) в уравнения (4.3.15) и (4.3.16) да се изключи величините L/L0 и предлага за определяне на акустикоеластичните коефициенти да се използва системата от уравнения [26].

1

.

...

.

...

.

.

031

01323

031

013213

031

0131 tt

tt=σk

tt

ttk+σk

tt

ttk , (4.3.18)

1

.

...

.

...

.

.

032

02323

032

023113

032

0232 tt

tt=σk

tt

ttk+σk

tt

ttk . (4.3.19)

Системата от уравнения (4.3.18) и (4.3.19) съдържа безразмерни акустични параметри,

които не зависят от дебелината на материала. Чрез въвеждане на означенията

1

.

.

031

0131 tt

tt=Δ ,

1

.

.

032

0232 tt

tt=Δ . (4.3.20)-(4.3.21)

Системата от уравнения (4.3.18) и (4.3.19) се записва във вида

123221311 ..1..1 Δ=σkΔ+k+σkΔ+k , (4.3.22)

223111322 ..1..1 Δ=σkΔ+k+σkΔ+k . (4.3.23)

След въведените величини 1 << 1 и 2 << 1, окончателно, Никитина за описване на

равнинно напрегнато състояние записва следните зависимости

22111 .. ΔKΔK=σ , 12212 .. ΔKΔK=σ , (4.3.24)-(4.3.25)

където 2322

31

311

kkkk

kk=K

, 2

322

31

322

kkkk

kk=K

, (4.3.26)-(4.3.27)

са акустоеластичните коефициенти на материала. K1 и K2 зависят само от еластичните свойства на материала и имат размерност на еластичните модули. Тези коефициенти се определят при провеждане на експерименти. Те се формират от разликите между ki, което е резултат чрез отчитане изменението на акустическия път след взаимодействие на механични напрежения.

4.4.2 Алгоритъм за пресмятане на акустикоеластични коефиценти на подповърхностни вълни

Теоретичният модел на разпространение на подповърхностна вълна в среда с

действуващи механични напрежения е разгледан в работите [12, 24, 30 и 54]. В [54] е представен случая, в които се разглежда разпространението на

подповърхностната вълна със скорост сп в посока на приложените механични напрежения.

32

Показана е следната зависимостта

12

0 104422 αμ+λ+m+θλ+l+μ+λ=cρ п , (4.4.12)

където ρ е плътността на материала, сп е скоростта на подповърхностната вълна в посока 1 и преместване в посоката 1, λ, μ, ν, m и l са еластични модули съответно, от II и III порядък, θ = α1+ α2 +α3, където α1, α2 и α3 са компонентите на главните деформации за едноосно напрегнато състояние. За едноосно напрегнато съсътояние α1 = ε, α2 = α3 = -ν.ε, където ν е коефицент на Поасон. Окончателно за скоростта на разпространение на подповърхностната вълна се получава

εμ

λ+νµ+m+μ+μ+λ+μ+λ=cρ п .

21222422

0

(4.4.13)

4.4.3 Алгоритъм за пресмятане на акустикоеластични коефиценти на повърхностни

вълни на Релей Вълните на Релей представляват сума от надлъжна и напречна нееднородни вълни

като на границата на две полупространства (метал – вакуум) се разпространяват с една и съща скорост и бързо затихват в дълбочина. Енергията на вълната е локализирана в дълбочина до 1,5 дължина на вълната.Частиците се движат по елипси, като голямата полуос е перпендикулярна на граничната повърхност, а малката е успоредна на посоката на разпространение. Фазовата и груповата скорости са еднакви и се определят по зависимости η6 - 8 η4 + 8.(3 – 2 ζ2).η2 – 16.(1 – ξ2) = 0, (4.4.16)

където η = CR / Ct, ζ = Cl / Ct, CR е скорост на вълната на Релей.

При въздействие на механични натоварвания промяната на скоростта VR0 се

представя с израза

t

R

RRR δC

C

CС=δC

0

0 . (4.4.18)

4.6 Методика за определяне на акустикоеластичните коефиценти за различни видове ултразвукови вълни, които се използват при акустична тензометрия в дисертацията

4.6.1 Изисквания към подготовката на образци и методите за провеждане на

изследвания за определяне на акустоеластичните коефициенти Подготвят се образци с плоскопаралелни стени в зоната на изпитване с грапавост на

повърхнината Ra < 6.3 m. Предварително се провеждат силови натоварвания на материала с цел оценка на

границата на провлачване, пълзене и разрушаване. На тази база се регламентирa натоварването и неговата скорост, за да се избегнат влияния на температурния ефект при промяна на скоростите на разпространение на вълните.

В процеса на провеждане на акустичните измервания при неголеми скорости на машината за механично натоварване на опън, с използване на апаратура за ултразвукови измервания, са направени 3-5 независими измервания за определяне на t01, t02 и t03. Броят на измерванията трябва да се провежда до достигане на необходимата неопределеност.

33

Оценява се амплитудата на информационния сигнал в зоната на измерването което се провежда.

Фиг.4.6.2 Диаграма на натоварване на образец на опън.

4.6.5 Измервателни инструменти и сравнителни образци Използвани са високоточни шублери, краищни мерки и притискащи устройства.

Закрепването на измервателните осезатели към образците за изпитване е една от най- отговорните задачи с цел да се получи оптимален акустичен контакт и намали влиянието на контакта. За всеки от използваните осезатели са изработени специални закрепващи устройства снабдени с магнити със сила на притискане 4kg. Външният вид на осезателите и закрепващите устройства са показани на фиг. 4.6.3 и на фиг.4.6.4.

а)

б)

в)

Фиг. 4.6.3 Закрепващи устройства за нормален осезател (а), за подповърхностни (б) и за повърхностни вълни осезатели (в).

Фиг.4.6.4 Схемата на закрепването на датчиците към изпитвания образец и на образеца към захватите на изпитвателната машина.

34

4.7 Експериментално изследване на механични напрежения в тръбопроводи

4.7.1 Резултати от изследване на остатъчни напрежения в тръбопровод с използване на метод с пробиване на отвори (“дрил”-метод)

Измерванията се реализират със системата MTS 3000 RESTAN. Методиката е

разработена на основата на ASTM E 837-08 [Д5]. Използва се и разработен програмен продукт от фирмата, с който се реализират алгоритмите, представени в & 4.2.3.

Фиг. 4.7.1. Изменение на деформациите по дълбочина на отвора h

Окончателно по получените данни за нехомогенно разпределение на деформацията в

дълбочина, като се използват програмните продукти на фирма SINT Technology са получени следните резултатите, представени в табл.4.7.2 и табл.4.7.3. Табл. 4.7.2 Резултати от изследване на механичните напрежения по вътрешната повърхност на тръбата. Експериримент σmin = σ3 ,

N/mm2 σmax = σ1 ,

N/mm2 2,

N/mm2, deg e = σ1 – σ3,

N/mm2 n

Е1 - 84.4 20.89 0 31.15 105.29 3.42Е2 69.29 121.50 0 79.75 121.5 2.96

Табл. 4.7.3 Резултати от изследване на механичните напрежения по външната повърхност на тръбата. Експериримент σmin = σ2 ,

N/mm2 σmax = σ1 ,

N/mm2 3,

N/mm2, deg e = σ1 – σ3,

N/mm2 n

Е3 46.8 166.4 0 - 24.49 166.44 2.16Е4 72.85 159.3 0 -12.46 159.3 2.26

4.7.2 Измерване на скоростите на разпространение на ултразвукови вълни в

материала на тръбата при отсъствие на механично натоварване Изследванията са проведени на подготвени образци от тръбата (X52N PSL2/L360).

Означени са с номера FE01, FE02, FE03 и FE04. Използвани са осезатели V110RM за излъчване и приемане на надлъжни вълни, V156RM – за напречни вълни, TOFD осезатели C567SM и A574S – за повърхностни вълни на Релей. Означенията 0 и 90 при осезател V156RM се отнасят за ориентация на осезателя по образуващата и перпендекулярно на нея.

35

Получените средни резултати от 5 независими измервания са представени в таблица 4.7.4, която съдържа номер на образеца, типа осезател, вида и скоростите на разпространение на вълната и неопределеността от измерванията U в m/s.

На фиг. 4.7.5а и фиг. 4.7.5б са представени, за случая на вълни на Релей, относителните промени в скоростите за разпространение на ултразвукови вълни ΔСR/СR

(σОП =0) и ΔτR/τR (σОП =0), където СR (σОП =0) и τR (σОП =0) са скоростите и времената на

разпространение при ненатоварен образец, ΔСR=СR (σОП ≠0)-СR (σОП =0) и ΔτR/τR (σОП ≠0)-

τR (σОП =0).

а)

б)

Фиг. 4.7.5 Зависимост на ΔСR/СR (σОП =0) а) и ΔτR/τR (σОП =0) б) от създаденото механично напрежение σОП

Фиг. 4.7.6 Зависимости за скоростите на разпространение при създадено механично напрежение на опън

36

Фиг. 4.7.7 Зависимости за времената на разпространение при създадено механично напрежение на опън

Аналогично на фиг.4.7.8а и фиг.4.7.8б са представени получените зависимости за

случая на измервания с използване на подповърхностни вълни.

а)

б)

Фиг. 4.7.8 Зависимост на ΔСП/СП (σОП =0) и ΔτП/τП (σОП =0) от създаденото механично напрежение σОП

4.7.4. Оценка на акустикоеластични коефициенти необходими за реализиране на

алгоритъма на Никитина 4.7.4.1 Определяне на еластоакустичните коефициенти ki

Със зависимостите, приведени в & 4.7.3 са пресметнати акустикоеластичните коефициенти k1, k2 и k3. В таблица 4.7.10 са приведени средните стойности за k1, k2 и k3 , получени за всяка стойност на натоварването. Тук k1 се отнася до разпространение на напречни вълни при 0˚ поляризация, k2 – напречна вълна при поляризация 900 и k3 – надлъжна вълна.

37

Табл. 4.7.10. Средни стойности на коефициенти ki и неопределеността U в % k1.106,

MPa-1k2.106, MPa-1

k3.106, MPa-1

ki 6.571 -39.919 -43.817U, % 0.24 0.39 2.796

4.7.4.2 Определяне на еластоакустичните коефициенти K1 и K2 Използвани са получените средни стойности на коефициентите k1, k2. и k3.

Пресмятанията са реализирани по зависимости (4.1.15) и (4.1.16) в & 4.3.3.1. Получени са следните средни стойности К1 = 0.2004.105MPa и К2 = 0.0148.105MPa,

съответно при неопределеност U1 = 0.00873.105MPa и U2 = 0.0088.105MPa, за материалиа на тръбопровода.

4.7.4.3 Пресмятане на механични напрежения на опън 1 и тангенциалното

напрежение 2 в тръбопровод по ГОСТ-Р-52890 [Д27] и ГОСТ-Р-52731 [Д28]. На основата на получените стойности за времената на разпространение на надлъжни t3

и напречни t2 и t1 вълни, като се използват получените стойности К1 и К2 по предложените зависимости (4.3.24) и (4.3.25) в & 4.3.3.1 са пресметнати стойностите на механичните напрежения (меридианно σ1 и окръжностно σ2) за тръбопровода.

На фиг. 4.7.9а и фиг. 4.7.9б са представени получените стойности за напреженията в зависимост от натоварването. Представени e разсейването от пресметнатата неопределеност при вероятност 95%. При опънови коефициeнти зависимостта σ1 практически e линейна, но при тангенциалните зависимостта σ2 осцилира с променливи знаци на напреженията.

а)

б) Фиг.4.7.9 Пресметнати стойности на механично меридианно σ1 а) и окръжностно σ2 б)

напрежения за тръбопровода

4.8 Изследване на механични напрежения в тръба на газопровод Цел на изследванията по-долу са определяне на разпределението на механични

напрежения в предоставената ни тръба от газопровод с диаметър D = 273 mm и дебелина на стената 14 mm. Тръбата не е подложена на механични натоварвания. Предполага се, обаче, че по дължина на тръбата и по периметъра й има неравномерно разпределени механични напрежения.

Особено значими промени се очакват в частта от тръбата разположена в околошевната зона и в самото заварено съединение.

38

Измерванията на първоначалните информационни параметри (скоростите на разпространение на надлъжни, напречни, повърхностни и подповърхностни вълни) са проведени по дължината три образуващи на тръбата, разположени на 0˚, 90˚ и 180˚ по периметъра. Нулевият отчет по дължина на образуващата съвпада с централната част на завареното съединение. Чрез механично почистване и шмиргелене е свалено усилването на шева, така както това се прави предварително при много отговорни заварени съединения, например в АЕЦ.

По образуващата измерванията са представени от 0 mm (в центъра на завареното съединение) до 350 mm със стъпка 50 mm. В някои случаи допълнително са проведени измервания и непосредствено в завареното съединение със стъпка 5 mm.

На фиг.4.8.1 са представени получените зависимости за промените на времето на разпространение на повърхностните вълни на Релей по дължина на образуващата L на тръбата. С 0˚ тръба, 90˚ тръба и 180˚ тръба са означени получените стойности по образуващата при посоки 0˚, 90˚ и 180˚ по периметъра. Разстоянието между челата на използваните осезатели C567SM е 10 mm.

12.9

13

13.1

13.2

0 50 100 150 200 250 300 350

L , mm

R,   µs

0  °  тръба 90 ° тръба 180 ° тръба

Фиг. 4.8.1.Зависимост на времето на разпространение на повърхностна вълна τR = F (L)

На фиг.4.8.2 е представена зависимост τR от местоположението на осезателя по дължина на тръбата за образуваща, разположена на 90˚ по периметъра. Стъпката на измерването е през 5 mm от 0 mm до 50 mm.

Наблюдават се съществени разлики във времената на разпространение за областта на завареното съединение и околошевната зона.

Фиг. 4.8.2.Зависимост на времето на разпространение на повърхностната вълна τR = F (L)

за околошевната зона

39

На фиг.4.8.3 са представени зависимостта на времето на разпространение τП на подповърхностната вълна, измерена по дължина на образуващата L. Разстоянието между осезателите за подповърхностни вълни тип ToFD е 30 mm.

Фиг. 4.8.3.Зависимост на времето на разпространение на подповърхностна вълна τП=F (L)

На фиг.4.8.4, фиг.4.8.5 и фиг.4.8.6 поотделно са представени зависимостите за времената на разпространение на напречни τt (0˚), (с посока на поляризация по образуващата), напречни τt (90˚), (с посока на поляризация напречно на образуващата), и на надлъжни τl вълни, в различни точки по образуващите, при 0˚, 90˚ и 180˚ по обиколката на тръбата. Необходимо е да се отбележи, че има разлика в дебелината на тръбата на различните точки по образуващата. От 0 mm до 100 mm стъпката на измерване е през 25 mm, а от 100 mm до 350 mm стъпката на измерване е през 50 mm.

Фиг. 4.8.4. Зависимост на времето на разпространение на напречна вълна с посока на поляризацията по от τt (0˚) = F (L)

40

Фиг. 4.8.5.Зависимост на времето на разпространение на напречна вълна с поляризация

напречно на образуващата τt (90˚) = F (L)

Фиг. 4.8.6.Зависимост на времето на разпространение на надлъжна вълна τl = F (L)

На фиг. 4.8.7а са дадени стоиностите на механичните напрежения, действащи по

посока на образуващата на тръбопровода (меридианни). С повърхностна, подповърхностна и обемни са означени остатъчните напрежения получени от определяне, съответно на времената на разпространения в материала на повърхностни, подповърхностни и обемни ултразвукови вълни.

На фиг. 4.8.7б са дадени стойностите на механичните напрежения, действащи по обиколката на тръбата (окръжностни). Тук напреженията се определят от получените времена за разпространение на обемни ултразвукови вълни в материала и акустико еластичните коефициенти, получени от измерванията на еталонните образци, чрез зависимост (4.3.25).

а)

б)

Фиг. 4.8.7. Разпределение на остатъчни напрежения по образуващата L (меридианни) а) и по обиколката на тръбата (окръжностни) б).

41

Таблица 4.8.1. Остатъчни механични напрежения действащи по посока на образуващата (меридианно), определени чрез използване на ултразвукови методи

Метод L= 0 mm L = 75 mm L = 200 mmПодповърхностни

вълни 0 MPa -48MPa 2MPa

Повърхностни вълни

0 MPa -128MPa -30MPa

Надлъжни, напречни вълни

0 MPa 14MPa 54MPa

Таблица 4.8.2. Остатъчни механични напрежения действащи по обиколката на тръбата (окръжностно), перпендекулярно на образуващата, определени чрез използване на ултразвукови методи

Метод L= 0 mm L = 75 mm L = 200 mmНадлъжни,

напречни вълни0 MPa 15MPa 0 MPa

Глава 5. Предложение за внедряване в практиката

Направено е предложение, на основата на получените резултати в дисертационната работа и вече натрупания опит в някои страни, да се формират диагностични участъци в които да се провеждат периодично наблюдения за състоянието на газопровода с помощта на безразрушителни методи.

5.1 За избора на контролни участъци на газопроводите Днес в експлоатационната практика на газопроводите все по-рязко се откроява

тенденцията за формиране на диагностични участъци с цел да се повиши надеждността и се съкращават престоите на магистралните тръбопроводи[60].

При изработването на изискванията за избор на участъци за диагностика следва да се имат предвид редица фактори, които възникват при първоначалното им изграждане, при експлоатация, както и възможните традиционни повреди (по причина на човешкия фактор и физическото им състояние). В [15, 29] са формулирани 18 причини за довеждане на тръбопроводите в критично състояние и за разрушаването им. Ако се отстрани човешкия фактор, основните причини са технологични и при експлоатацията му.

Приноси по дисертационния труд Получени са следните научни, научно-приложни и приложни приноси: Научни: 1. Предложен и реализиран е теоретично-експериментален метод за оценка на работата на нормален фазиран осезател. 2. Разработен е програмен продукт за пресмятане на акустични характеристики на преобразувателя. 3. На основата на използвания в работата модел са получени нови данни за АРД номограмите на фазиран осезател при работата му във водни среди, които са експериментално потвърдени с използване на специално разработена имерсионна вана с автоматизиран система за преместване на осезателя. 4. На основата на прецизен анализ е проведено сравнение на използваните ултразвукови методи с използване на различни типове вълни за контрол на механичното състояние на

42

тръбопроводи. Определени са еластоакустични коефициенти чрез скоростите и времената на разпространение на ултразвуковите вълни, необходими при оценка на механичните напрежения. Научно- приложни: 1. Разработена е автоматизирана система за ултразвуков контрол на челни заварени съединения в газопроводи с различни диаметри, реализирана с използването на осезатели тип фазирана решетка. 2. Разработен е нов тип уред за визуален контрол на тръбопроводи с камера тип „рибешко око“ с възможности за регистрация на наблюдаваните картини и предвижване с помощта на джойстик. 3. Предложено е създаване на специализирани участъци за периодично изследване на промени в механичното напрегнато състояние на тръбопровода. 4. Получени са нови данни за химическия състав, микроструктура и механичните характеристики на материала на газопровод и на завареното съединение. 5. Реализирано е измерване на механично напрегнато състояние по метода чрез пробиване на отвор „дрил”-метод, данните се използват за сравнение с определеното механично напрегнато състояние чрез ултразвуковите методи. Приложни: 1. Разработена е технология за произвеждането на сменяеми протектори на осезатели тип фазирана решетка, които позволяват поддържане на контактната течност при реализиране на процепен контакт. 2. Реализиран е, с висока точност, сравнителен (контролен) образец за проверка и настройка при работа с фазирани осезатели, в съответствие с Европейски стандарти. 3. Получени са нови данни за механични напрежения в материала на тръбопровод по оста му в района на завареното съединение и в тръбата.

III. Научни публикации, свързани с дисертационния труд

А1. Mihovski M., Mirchev Y., Chukachev P., Theoretical and Experimental Ultrasonic

Investigation of General Corrosion and Erosion in Construction., 10th EC NDT- Moscow 2010, paper 1.3.77, www.ndt.net, e-Journal & Exhibition of Nondestructive Testing – (ISSN 1435-4934), August 2010; А2. Чукачев П.Х., Мирчев Й.Н., Контрол на заварени съединения чрез ултразвуковия метод на фазовата решетка . - Научни изв. на СЕЕС (ISSN 1312-4897), Сб. Нац. Конф. „ Акустика 14”, година XVI , София, Декември 2014, стр. 115-120; А3. Чукачев П.Х., Табакова Б., Фазова решетка-иновативен метод за контрол на заварени съединения- Списание „Машиностроене и машинознание“, година IX, книга 1, Варна 2014, (ISSN 1312-8612), стр. 29-34; А4. Kozhushko V.V., Mirchev Y.N., Mihovski M.M. and Chukachev P.H., Phased array ultrasonic beam reflection from uneven surfaces in immersion mode. – In: Proceedings of the XVII National Scientific-Technical Conference “Acoustic 2015” (ISSN 1312-4897), Sofia, Bulgaria, December 2015, pp 136-141. A5. Чукачев П.Х., Миховски М.М., Мирчев Й.Н., Автоматизирано ултразвуково изпитване на заварени съединения на тръбопроводи. - Научни изв. на СЕЕС (ISSN 1312-4897), Сб. Нац. Конф. „ Акустика 15”, година XVII, София, Декември 2015, стр. 153-155; А6. Мирчев Й.Н, Чукачев П.Х., Миховски М.М., Сравнителни образци за оценка на механично напрегнато състояние на материали. - Научни изв. на СЕЕС (ISSN 1312-4897), Сб. Нац. Конф. „ Акустика 15”, година XVII, София, Декември 2015, стр. 164-166; А7. Чукачев П.Х., Мирчев Й.Н., Миховски М.М., Оценка на механичното напрегнато състояние в газопроводи. - Научни изв. на СЕЕС (ISSN 1312-4897), Сб. Нац. Конф. „

43

Акустика 16”, година XVIII, София, Декември 2016, стр. 34-39; А8. Мирчев Й.Н., Чукачев П.Х., Миховски М.М., Приложение на метода на моделирането в течни среди за изследване работата на линеен фазиращ осезател. - Научни изв. на СЕЕС (ISSN 1312-4897), Сб. Нац. Конф. „ Акустика 16”, година XVIII, София, Декември 2016, стр. 53-59; А 9. Mihovski M., Chukachev P., Mirchev Y.,Sergienko V., Application of ultrasonic methods

for manufacture of pipeline and maintenance., 19th WC NDT- Munich 2016, www.ndt.net, e-Journal & Exhibition of Nondestructive Testing – (ISSN 1435-4934),13-17 June 2016. А 10. Mihovski M., Mirchev Y., Chukachev H., Sergienko V., Assessment of mechanically stressed state in pipelines according to Russian standards, AIP (American Institute of Physics) Conference Proceedings, MECHANICS, RESOURCE AND DIAGNOSTICS OF MATERIALS AND STRUCTURES (MRDMS-2016), ISNN: 0094-243X (SJR: 0.2), view online: http://dx.doi.org/10.1063/1.4967095, in Proceedings of the 10th International Conference on Mechanics, Resource and Diagnostics of Materials and Structures, Ekaterinburg, Russia, 16-20 May 2016, ISBN: 978-0-7354-1447-1; А 11. Чукачев П.Х., Възможност за комплексно използване на ултразвукови методи за оценка на механичното напрегнато състояние на тръбопроводи. - Научни изв. на СЕЕС (ISSN 1312-4897), Сб. Нац. Конф. „ Акустика 17”, година XVIII, София, Декември 2017 (под печат). А 12. Mirchev Y., Chukachev P., Mihovski M., Methods for evaluation of mechanical stress condition of materials, MATEC, Conference Proceedings, 13th NATIONAL CONGRESS OF THEORETICAL AND APPLIED MECHANICS, Sofia, Bulgaria, 06-10 September 2017 (accepted for publication).

44

INNOVATIVE ULTRASONIC METHODS FOR GAS PIPELINE INSPECTION

Pavel Chukachev, Institute of mechanics-Bulgarian academy of sciences Abstract

The main aim of this dissertation paper is:

Development of innovative methods and devices for non-destructive inspection of gas

pipelines.

The dissertation presents the capabilities of ultrasonic, optical and acoustic-tensometric methods for examination of materials and structures. The following results were obtained:

A theoretical-experimental method was developed to evaluate the performance of a normal phased array probe. A software product for calculating the acoustic characteristics of the transducer was developed. On the basis of the model used in the paper, new data are obtained for the DGS nomograms of a phased array probe in its use in water media, which are experimentally confirmed using a specially designed immersion bath with an automated probe displacement system.

A comparison of the ultrasonic methods used was performed using different types of waves to inspect the mechanical condition of pipelines. Elasto-acoustic coefficients are determined by the velocities and propagation times of the ultrasonic waves required to evaluate the mechanical stresses.

An automated system was developed for ultrasonic inspection of butt welded joints in gas pipelines of different diameters, realized by the use of phased array probes. A new type of instrument for visual inspection of pipelines was developed with a fisheye type camera capable to record the observed images and move by the aid of a joystick. The creation of specialized sections is proposed for periodic examination of changes in mechanical stress condition of the pipeline. New data of the chemical composition, microstructure and mechanical properties of the pipeline material and the welded joint were obtained. Measurement of mechanical stress condition was made by the hole drilling method. The data are used for comparison with the mechanical stress condition determined by ultrasonic methods.

A technology is developed for the production of interchangeable protectors of phased array probes. New data on mechanical stresses in the pipeline material was obtained along its axis in the area of the welded joint and pipe.

Parts of the dissertation paper were used in the research of the European project INNOPIPES.

An automated ultrasonic system operating on the phased array principle is used in real conditions during the construction of a gas pipeline by Glavbolgarstroy International EAD.

The materials developed in the dissertation paper are used for training of specialists in the field of innovative ultrasonic methods using ToFD and phased array as well as acoustic tensometry.