Ультразвуковой способ измерения внутренних механических напряжений

 

Изобретение относится к неразрушающему контролю физических характеристик материалов изделий и может быть использовано для измерения напряженного состояния материалов в сварных и резьбовых соединениях различных изделий ответственного назначения, в металле трубопроводов и других объектов, испытывающих значительные нагрузки в процессе эксплуатации. Способ позволяет повысить точность и достоверность результатов измерения за счет исключения ошибок, связанных с неравенством толщин измеряемого объекта и его ненагруженного аналога. Это достигается тем, что в исследуемый объект и ненагруженный его аналог вводят импульсы ультразвуковых колебаний двух типов, например продольных и поперечных, принимают прошедшие сигналы, образуют суммы и разности принятых сигналов в нагруженной и ненагруженной областях для обоих типов колебаний и по их соотношениям рассчитывают величину напряжения.

Изобретение относится к неразрушающему контролю физических характеристик материалов изделий и может быть использовано для измерения напряженного состояния материалов в сварных и резьбовых соединениях различных изделий ответственного назначения, в металле трубопроводов и других объектов, испытывающих значительные нагрузки в процессе эксплуатации.

Известен ультразвуковой способ измерений внутренних напряжений в изделиях и материалах, основанный на измерении разности скоростей в напряженном и свободном состояниях исследуемого объекта путем измерения разности времен прохождения одного и того же пути в объекте в напряженном и свободном состояниях [1] Недостатками известного способа являются необходимость использования сложной высокостабильной аппаратуры, способной измерять изменения времени до 10^-9 с; жесткие требования по условиям эксплуатации этой аппаратуры, существенно ограничивающие область применения этого способа, кроме того, способ предполагает наличие возможности полного снятия нагрузки с испытуемого изделия, что не всегда осуществимо.

Известен также ультразвуковой способ измерения внутренних механических напряжений, заключающийся в том, что в нагруженный исследуемый объект и ненагруженный его аналог или в свободную зону исследуемого объекта, не испытывающую напряжений, вводят импульсы ультразвуковых колебаний (УЗК), принимают прошедшие сигналы, алгебраически суммируют и вычитают принятые сигналы, по сумме и разности определяют относительную разность скоростей УЗК в напряженном и свободном состояниях, по ней рассчитывают величину механических напряжений [2] Недостатком этого способа (как и всех известных способов) является высокая погрешность результатов измерений в случае разнотолщинности нагруженного и свободного участков исследуемого объекта (или нагруженного объекта и его аналога).

Задачей изобретения является повышение точности и достоверности измерений механических напряжений в объектах ответственного назначения за счет исключения влияния разнотолщинности участков исследуемого объекта.

Для этого в способе ультразвукового измерения внутренних механических напряжений, заключающемся в том, что исследуемый объект на нагруженном и свободном участках (или нагруженный аналог исследуемого изделия) вводят импульсы ультразвуковых колебаний (УЗК), например продольных, принимают прошедшие сигналы, алгебраически суммируют и вычитают их, по сумме и разности определяют фазовый сдвиг между принятыми сигналами, прошедшими напряженный и свободный участки, по которому судят о величине внутренних механических напряжений, на тех же участках дополнительно вводят импульсы УЗК другого типа, например поперечных, проводят с принятыми сигналами аналогичные действия, а величину механических напряжений рассчитывают по формуле σ , где f частота УЗК; β₁ β₂- акустоупругие коэффициенты для УЗК первого и второго типов (например, продольных и поперечных); t₀₁, t₀₂ время пробега импульсов УЗК первого и второго типов в ненагруженном материале; ; - отношения суммы и разности сигналов УЗК первого и второго типов.

Сущность предлагаемого способа можно раскрыть следующими рассуждениями. Из основной зависимости, которая так или иначе лежит в основе всех времяскоростных способов, t где t время пробега импульсов УЗК; r путь импульсов в изделии; с скорость УЗК, следует , (1) где индекс о обозначает параметры в напряженном состоянии.

Отсюда видно, что разнотолщинность (разница путей импульсов УЗК в нагруженном и свободном материалах) может дать значительную погрешность. Поскольку путь импульсов любых съемных типов УЗК может быть записан в виде r , где α- угол ввода УЗК; n кратность отражений;
d толщина исследуемого объекта;
при любых и любых реально возможных углах ввода и (1) будет выглядеть следующим образом:

Возьмем для примера продольные L и поперечные Т УЗК, тогда

Вычитая из (2) (3) получим

Поскольку
β_Tσ, β_Lσ где β_T и β_L акустоупругие коэффициенты для поперечной и продольных волн, то
σ . (4)
Рассмотрим выражение
где ϕ=2arcctg разность фаз, учитывая, что ϕ ω Δ t 2 π f Δ t, а t, получаем
или . (5)
Подставляя (5) с учетом типа УЗК в (4), получим окончательно
σ
Можно использовать один тип УЗК, но вводить их необходимо под разными углами α, при этом необходима более высокая точность измерения акустоупругих коэффициентов.

Таким образом, исключается погрешность измерения напряжения от разнотолщинности исследуемого изделия и образца-аналога. При этом сохраняются высокая точность измерений и простота аппаратуры для реализации способа и расширяется диапазон применения способа. В этом выражается технический результат, достигаемый с помощью предлагаемого способа.

Предлагаемый способ реализуется с помощью серийного дефектоскопа следующим образом.

В зависимости от формы изделий и ориентации вектора напряжения в нем подбирают две пары серийных преобразователей с углом ввода, преобразователи должны обеспечить параллельность плоскости вектора смещения вводимых УЗ колебаний в исследуемом изделии плоскости вектора напряжения. В одном из приемных преобразователей путем несложной переделки необходимо обеспечить возможность переполюсовки электродов пьезопластины. Излучающие преобразователи подключают параллельно к генератору дефектоскопа и устанавливают на исследуемый объект в нагруженной и свободной его частях (например, один рядом с усилением сварного шва, а другой на расстоянии около 10b, где b ширина усиления шва). Затем, поочередно подключая прижимные преобразователи и устанавливая их на исследуемый объект, добиваются равного максимального значения амплитуд принимаемых сигналов и фиксируют положения всех преобразователей. Далее, соединяя параллельно приемные преобразователи, подключают их одновременно к приемному гнезду дефектоскопа и измеряют амплитуду суммарного сигнала А¹₊. Далее, проведя переполюсовку пьезопластины одного приемного преобразователя, измеряют амплитуду разностного сигнала А_-¹. Затем подбирают две пары преобразователей с углом ввода α₂ и, устанавливая их аналогичным образом в тех же местах, определяют А₊² и А_-². После этого по известным значениям акустоупругих коэффициентов рассчитывают величину σ.

Целесообразно иметь специальные акустические системы, построение которых однозначно определяется описанной последовательностью измерений.

В случаях, когда значения акустоупругих коэффициентов неизвестны, можно, используя испытательные машины, провести тарировку прибора и измерение акустоупругих коэффициентов.

Преимущество разработанного способа заключается в снижении затрат на проведение контроля, поскольку вместо специализированной дорогостоящей аппаратуры может использоваться серийная общедоступная аппаратура, благодаря тому, что разработанный способ позволяет увеличить допустимую погрешность измерений в 200 раз, не снижая при этом точность определения напряжения. Возможность же использования портативной аппаратуры позволяет, в свою очередь, проводить измерения в полевых и монтажных условиях, что раньше в ряде случаев было невозможно.

Формула изобретения

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРЕННИХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ, заключающийся в том, что в исследуемый объект на нагруженном и ненагруженном участках или на ненагруженном аналоге исследуемого изделия вводят импульсы ультразвуковых колебаний, например продольных, принимают прошедшие сигналы, алгебраически суммируют и вычитают их, а по сумме и разности определяют величину внутренних механических напряжений, отличающийся тем, что на тех же участках дополнительно вводят импульсы ультразвуковых колебаний другого типа, например поперечных, алгебраически суммируют и вычитают принятые сигналы, а величину σ механических напряжений рассчитывают по формуле

где f - частота ультразвука;
β₁ и β₂ - акустоупругие коэффициенты для ультразвуковых колебаний первого и второго типов;
- отношение суммы и разности сигналов ультразвуковых колебаний первого и второго типов;
t₀₁ и t₀₂ - время пробега импульсов ультразвуковых колебаний первого и второго типов в ненагруженном материале.