Акустические методы
УДК 620.179.16
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ СТРУКТУРЫ
МЕТАЛЛА ТРУБОПРОВОДОВ, НАХОДИВШИХСЯ В ЭКСПЛУАТАЦИИ,
УЛЬТРАЗВУКОВЫМ МЕТОДОМ
© 2021 г. В.Н. Данилов1,*, В.М. Ушаков1,**, А.И. Рымкевич1
1АО «НПО «НИИТМАШ», Россия 115088 Москва, Шарикоподшипниковская ул., 4
E-mail: *vadnicdan@yandex.ru; **ushvalmich@yandex.ru
Поступила в редакцию 13.05.2021; после доработки 02.06.2021
Принята к публикации 15.06.2021
Представлены результаты первого этапа ультразвуковых исследований структуры металла трубопроводов тепловых
электростанций, находившихся в эксплуатации. Испытаниям подвергался металл марок стали: 15Х1М1Ф и Ст20 с раз-
личной наработкой (временем эксплуатации). Образцы металла подвергались металлографическому анализу, на основа-
нии данных которого (среднего размера зерна — D
-, дисперсии распределения lnD — σD) проведен теоретический расчет
параметров УЗ импульсов донного сигнала в металле. Получены количественные данные по влиянию толщины слоя
контактной жидкости (зазора) между преобразователем и объектом контроля на рабочих частотах 5,0, 7,5 и 10 МГц для
различных значений среднего размера зерна металла. Приведены примеры расчетных и экспериментальных импульсов
и спектров сигналов для частоты 5 МГц.
Ключевые слова: трубопровод, ультразвук, структура металла, продольная волна, неразрушающий контроль, донный
сигнал, импульс, спектр.
DOI: 10.31857/S0130308221080017
1. ВВЕДЕНИЕ
При эксплуатации тепломеханического оборудования атомных электростанций (АЭС) и тепло-
вых (ТЭС) происходит деградация металла, которая сопровождается структурными изменениями,
ухудшением механических свойств, накапливаются микроповреждения. Из микротрещин образу-
ются недопустимые макротрещины. Традиционный неразрушающий контроль обеспечивает выяв-
ление сформировавшихся при эксплуатации дефектов: трещин различного происхождения, свищей
и утонения за счет коррозии объектов контроля. Современные требования безопасности АЭС со-
гласно нормам МАГАТЭ [1, 2] рекомендуется прогнозирование состояния металла, включая оценку
структурных изменений, микроповреждений, ухудшения мехсвойств. Такой подход включает оценку
несплошностей, а также определение прочностных характеристик металла и оценку изменений его
структуры на основании, в том числе, результатов неразрушающего контроля [3—7, 17]. В настоящей
статье рассмотрена теоретическая предпосылка возможностей использования ультразвукового мето-
да для оценки состояния структуры металла трубопроводов, находившихся в эксплуатации.
Исследованию подвергались образцы металла из стали 20, вырезанных из питательного тру-
бопровода (рабочее давление 180 кГ/см2 и температура 215°С) и стали 15Х1М1Ф паропровода
(рабочее давление 38 кГ/см2 и температура 545°С). Время эксплуатации трубопроводов (наработ-
ка) составляла: для стали 20 — 155 000 и 190 000 ч, а для стали 15Х1М1Ф — 208030 и 269386 ч
соответственно. В испытаниях использовались также два образца из металла без наработки: один
из стали 20 и один из стали 15Х1М1Ф.
2. ЦЕЛЬ
Общая цель работы: оценка с помощью ультразвукового метода состояния структуры образцов
металла трубопроводов, находившихся в эксплуатации, на основе теоретико-экспериментальных
исследований. Рассмотрен первый этап: теоретическое исследование возможностей ультразвуко-
вого метода структуроскопии.
В данной статье рассмотрены следующие задачи.
Выполнить металлографию образцов, оценить микроструктуру металла образцов, оценить
средний размер зерна D
-.
Провести теоретический расчет по определению влияния микроструктуры и качества шерохо-
ватости контактной поверхности на изменение параметров сигнала на частотах: 5,0; 7,5 и 10,0 МГц.
Оценить влияние толщины слоя контактной жидкости на характеристики эхосигнала на указан-
ных частотах.
4
В.Н. Данилов, В.М. Ушаков, А.И. Рымкевич
3. ПРОВЕДЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1. Металлографический анализ
Работу проводили следующим образом. Из трубопроводов вырезали заготовки, из которых вы-
полнялись образцы в виде кубиков с шероховатостью контактной поверхности образцов — не хуже
Rz 5 мкм, остальных поверхностей кубика — Rz 20. Исследования проводились в два этапа. На
первом была выполнена металлография образцов с оценкой размера зерна по ГОСТ 5639—82 и
микроструктуры по ГОСТ 5640—68 с использованием микроскопа Axiovert 40 МАТ (Сarl Zeiss,
Германия). В табл. 1 представлены результаты металлографического анализа.
Таблица
1
Результаты металлографического анализа испытуемых образцов
Номер
Оценочный размер
Марка и наработка, тыс. ч
Микроструктура
Номер зерна
образца
зерна, мкм
Микрозернистый бейнит с карбидами по
1А
Ст20; 0 ч
9, 10
12—8
границе зерен
Ст15Х1М1Ф
1Б
Бейнит отпуска + феррит + карбиды
8, 7
17—20
0 ч
Бейнит отпуска + феррит + карбиды со
15Х1М1Ф, 208033 и
2 и 3
сфероидизацией цементита на границах
5, 6
50—40
269386
зерен
Ст20
4 и 5
Феррит и пластинчатый перлит
7, 6
25—40
15500 и 190000
Рис. 1. Микроструктура образца № 5, Ст20 с наработкой 190 тыс. ч. Масштаб 50 мкм (слева), 25 мкм (справа). Увеличение
100×(слева) и 500× (справа).
В качестве примера на рис. 1 показана микроструктура образца № 5 с наработкой 190 тыс. ч.
3.2. Теоретический расчет параметров ультразвуковых эхосигналов
Дальнейшие исследования были ориентированы на проведение теоретического расчета формы
и спектра УЗ эхоимпульсов продольных волн в среде с использованием коэффициента затухания,
полученного в работе [10].
Следует отметить, что решение задачи структуроскопии ультразвуковым методом рассматри-
валось многими авторами (см., например, [8—12, 14, 17]). Исследования в данном направлении
продолжаются, однако в силу сложности — проблема до конца не решена.
Металлографические исследования образцов металлов с разным временем наработки показали
изменение размера зерен (кристаллитов): D
- — среднего размера и среднеквадратичного отклоне-
ния σD нормального распределения величин ln D [8 — 10].
Дефектоскопия
№ 8
2021
Исследование возможностей оценки состояния структуры металла трубопроводов...
5
Согласно работам [11, 12], размер зерна оказывает очень большое влияние на коэффициент
рассеяния ультразвуковых волн, поэтому структуру металлов целесообразно оценивать по зату-
ханию упругих волн [11], причем одним из перспективных способов этого является исследование
спектрального состава донного сигнала или сравнение амплитуд донного сигнала на различных
частотах. Качество акустического контакта приводит к разбросу оценки коэффициента затухания,
поэтому в теоретических расчетах приведена оценка влияния контакта на параметры эхосигнала.
Коэффициент затухания продольной волны δl определяется свойствами металла и складывает-
ся из коэффициентов поглощения δп и рассеяния δр [11, 12]:
δl = δп + δр,
(1)
причем коэффициент затухания δп пропорционален частоте колебаний fр, распространяющейся в
среде ультразвуковой волны [11]:
δп = Aп fр.
(2)
Для малоуглеродистой стали в формуле (2) величина Aп = 0,12 × 10-3 Нп/(МГц мм) (значение
коэффициента δп определяется в Нп/мм) [11].
Выражение коэффициента затухания продольных волн в поликристаллическом металле, учи-
тывающее статистическое распределение зерен (кристаллитов) по размерам, имеет следующий
вид [10]:
5
21
3
c
3
2
l
δ
=
F
(1+
)k
{(k
D)
exp(3σ
)×
p
2
a
5
l
l
D
40π
2
cτ
(3)
2
2
ln(D
/D)−2,5σ
ln(D
/D)−0,5σ
R
D
R
D
×Φ
+
k
D
1−Φ
},
l
σ
σ
D
D
где сl, cτ — скорости продольной и поперечной волн в стали, определяемые по усредненным значени-
λ
1
l
ям постоянных Ламэ поликристалла [13, 14],
D
R
=
=
(λl — длина продольной волны с волновым
2π
k
l
x
1
2
числом kl); Fa — коэффициент упругой анизотропии металла [10, 14];
Φ(x)=
exp(-0,5t
)d
t
∫
2π
-∞
— нормальная функция распределения или Φ(x) =0,5[1+ erf (x/
2)] (erf(x) — функция ошибок).
Первое слагаемое в фигурных скобках в (3) относится к коэффициенту затухания вследствие рэ-
леевского рассеяния, а второе — фазового [10, 13]; когда разброс размера зерен не учитывает-
1,x>0
ся (σD→0), |x|→∞ в (3)
Φ(x)→
Согласно работе [14], для стали с относительным объ-
0,x<0
емным содержанием перлита Pп коэффициент анизотропии Fa может быть определен по формуле
Fa = Рп Fa п + (1 - Рп)Fa ф, где Fa ф = 6,64 × 10-3, Fa п = 1,66 × 10-3 со средним значением при
Pп = 0,5 - Fa ≅ 0,004.
Формула (3) использовалась в работе [14] при количественной оценке структуры металла осей
колесных пар.
Ниже приведены результаты расчетов донных сигналов моделей прямых преобразователей с
номинальными частотами f0, равными 5, 7,5, 10 МГц для стали с различными параметрами D
- и σD
структуры, которые проводились с использованием компьютерной программы, являющейся моди-
фикацией программы, описанной в работе [15]; величина Fa имела значение 0,004 [14].
В моделях прямых преобразователей предполагалось, что пьезопластина диаметром 6 мм вы-
полнена из пьезокерамики ЦТС-19, протектор — из минералокерамики с акустическим импедан-
сом 25 ×106 кг/(м2 с) [16] имеет толщину, равную 0,5 толщины пьезопластины, которая выбиралась
размерами 0,36, 0,27 и 0,18 мм соответственно для частот 5, 7,5 и 10 МГц. В расчетах использова-
лось значение акустического импеданса демпфера, равное 11×106 кг/(м2 с), соответствующее при-
менявшемуся при расчетах в работе [16]; влияние электрической схемы включения преобразовате-
ля на форму импульса не учитывалось.
В ходе моделирования влияния затухания упругих продольных волн на характеристики донных
сигналов комплексный частотный спектр импульса выбранной модели умножался на частотно за-
висимый множитель exp(-δl 2h), характеризующий затухание различных составляющих спектра
Дефектоскопия
№ 8
2021
6
В.Н. Данилов, В.М. Ушаков, А.И. Рымкевич
сигнала, определяемого коэффициентом затухания δl (1) в зависимости от пройденного продольной
волной расстояния h до отражающей поверхности. При этом, как показано в работе [15], на спектр
и импульс сигнала заметное влияние оказывает толщина слоя контактной жидкости zc между про-
тектором преобразователя и контролируемой средой.
Расчеты проводились для стали со скоростью cl = 5,9 мм/мкс продольной и cτ = 3,23 мм/мкс
поперечной волн, расстояние h полагалось равным 30 мм. На рис. 2 приведены нормированные
на максимальное значение частотные спектры SN(f) донного сигнала модели преобразователя с
номинальной частотой f0 = 5 МГц, параметра σD = 0,1, среднего размера зерна D
- = 0,02 мм для
нескольких значений толщины zc (рис. 2а) и значения zc = 0,001 мм для нескольких величин раз-
мера D
- (рис. 2б). Минимальная частота расчета составляла 0,1 МГц.
SN
а
SN
б
1,0
1,0
2
3
1
4
0,8
0,8
0,6
0,6
4
3
2
1
0,4
0,4
0,2
0,2
0,0
0,0
0
2
4
6
8
10 f, МГц
0
2
4
6
8
10 f, МГц
AN
в
0,98
1
0,65
Рис. 2. Донные сигналы модели преобразователя с частотой
f0 = 5 МГц для параметра σD = 0,1:
-
= 0,02 мм
а — нормированные спектры для среднего размера зерна D
0,32
(1
— толщины слоя контактной жидкости zc
=
0,001 мм;
2 — zc = 0,002 мм; 3 — zc = 0,003 мм; 4 — zc = 0,004 мм);
2
б — нормированные спектры для толщины слоя контактной жидко-
-
сти zc = 0,001 мм (1 — среднего размера зерна D
= 0,02 мм;
-0,01
2 — D
- = 0,03 мм; 3 —
– = 0,04 мм; 4 —
– = 0,05 мм);
в
— нормированные импульсы для среднего размера зерна
D
- = 0,02 мм (1 — толщины слоя контактной жидкости zc = 0,001 мм;
–0,34
2 — zc = 0,004 мм).
-0,67
-1,00
0
1
2
3
t, мкс
Из рис. 2а видно, что увеличение толщины zc приводит к ограничению спектров сигналов со
стороны высоких частот, при этом возрастание zc от 0,001 до 0,004 мм приводит к уменьшению
частоты максимума спектра примерно на 0,5 МГц и уменьшению его ширины. Для частоты моде-
ли преобразователя f0 = 5 МГц и расстояния h = 30 мм влияние изменения размера зерна D
- от 0,02
до 0,05 мм (см. табл. 1) достаточно мало и приводит к небольшому относительному уменьшению
значения максимума спектра при незначительном понижении частоты максимума (рис. 2б). При
этом изменение параметра σD от 0,1 до 0,7 на спектральные характеристики практически не ска-
зывается.
Дефектоскопия
№ 8
2021
Исследование возможностей оценки состояния структуры металла трубопроводов...
7
Нормированные на общий максимум импульсы донного сигнала AN(t) модели преобразователя
с номинальной частотой f0 = 5 МГц, размера зерна D
- от 0,02 мм (σD = 0,1) и значений толщины слоя
контактной жидкости zc от 0,001 и 0,004 мм приведены на рис. 2в. Из этого рисунка видно, что уве-
личение zc приводит к уменьшению амплитуды и возрастанию длительности импульса.
На рис. 3а приведен вид нормированного теоретического импульса (f0 = 5 МГц) донного сиг-
нала для параметров D
- = 0,02 мм, zc = 0,003 мм, на рис. 3б — экспериментального импульса для
реального преобразователя П111-5,0-К6-002, отраженного от боковой поверхности стандартного
образца СО-2 (h = 30 мм), полученного на компьютерной установке «Авгур» [11], а на рис. 3в —
экспериментального спектра этого импульса (соответствующий теоретический спектр приведен на
рис. 2а — см. зависимость 3). Ширина теоретического спектра на уровне 0,5 (-6 дБ) от максимума
составляет примерно 1,7 МГц, а экспериментального — около 1,5 МГц; частота максимума экспе-
риментального спектра (≈ 4,9 МГц) несколько ниже частоты максимума теоретического (5,1 МГц).
AN а
б
Эхосигнал
0,98
0,65
0,32
-0,01
-0,34
-0,67
-1,00
0
1
2
3 t, мкс
9,9
10,8
11,7
12,6
13,5
t, мкс
в
Спектр эхосигнала
Рис. 3. Донный сигнал:
а — расчетный импульс (нормированный) для модели преобразова-
теля с частотой f0 = 5 МГц для параметра σD = 0,1, размера
D
- = 0,02 мм и толщины zc = 0,003 мм; б — эспериментальный
импульс преобразователя П111-5,0-К6-002 для образца СО-2 и рас-
стояния h = 30 мм; в — спектр экспериментального импульса пре-
образователя П111-5,0-К6-002 для образца СО-2 и расстояния
h = 30 мм.
2
4
6
8
f, МГц
Для значения толщины слоя контактной жидкости zc = 0,003 мм формы теоретических и экс-
периментальных импульсов и спектров наиболее похожие, а их имеющиеся различия могут быть
объяснены как ограничениями принятой расчетной модели, в том числе приближенным заданием
параметров, определяющих затухание продольных волн в среде, так и возможными отличиями
характеристик реального преобразователя и использованных в расчетах.
Дефектоскопия
№ 8
2021
8
В.Н. Данилов, В.М. Ушаков, А.И. Рымкевич
SN
а
SN
б
1,0
1,0
1
2
1
2
3
0,8
0,8
4
3
4
0,6
0,6
0,4
0,4
0,2
0,2
0,0
0,0
0
3
6
9
12
15 f, МГц
0
3
6
9
12
15
f, МГц
SN
в
1,0
1
2
3
Рис. 4. Нормированные спектры донных сигналов модели преоб-
0,8
разователя с частотой f0 = 7,5 МГц:
-
4
а — для параметра σD = 0,1, среднего размера зерна D
= 0,02 мм
(1 — толщины слоя контактной жидкости zc = 0,001 мм; 2 — zc = 0,002 мм;
0,6
3 — zc = 0,003 мм; 4 — zc = 0,004 мм); б — для параметра σD = 0,1, толщи-
ны слоя контактной жидкости zc = 0,001 мм (1 — среднего размера зерна
-
–
D
= 0,02 мм; 2 — D
- = 0,03 мм; 3 —
– = 0,04 мм; 4 —
= 0,05 мм); в —
-
= 0,05 мм, толщины слоя контактной жидко-
для среднего размера зерна D
0,4
сти zc = 0,001 мм (1 — параметра σD = 0,1; 2 — σD = 0,3; 3 — σD = 0,5;
4 — σD = 0,7).
0,2
0,0
0
3
6
9
12
15
f, МГц
На рис. 4 приведены нормированные на максимальное значение частотные спектры SN(f ) дон-
ного сигнала модели преобразователя с номинальной частотой f0 = 7,5 МГц, параметра σD = 0,1,
среднего размера зерна D
- = 0,02 мм для нескольких значений толщины zc
(рис. 4а); значения zc =
= 0,001 мм для нескольких величин размера D
- (рис. 4б); размера
– = 0,05 мм, значения zc =
= 0,001 мм для нескольких величин параметра σD (рис. 4в).
Сравнение рис. 4а и б соответственно с рис. 2а и б показывает заметное возрастание вли-
яния изменения параметров zc и D
- на форму спектра и его значение в максимуме. Изменение
величины zc от 0,001 до 0,004 мм приводит к уменьшению частоты максимума спектра при-
мерно на 0,8 МГц (рис. 4а). Для частоты f0 = 7,5 МГц на значении максимума спектра заметно
сказывается и разброс размера зерен, характеризуемый параметром σD (см. рис. 4в).
Нормированные импульсы донных сигналов модели преобразователя с частотой f0 = 7,5 МГц
для толщины слоя контактной жидкости zc = 0,001 мм, среднего размера зерна D
- = 0,02 мм (пара-
метр σD = 0,1) и 0,05 мм (параметр σD = 0,1, 0,7) приведены на рис. 5. Форма импульсов 1 — 3 почти
не меняется, однако различие их амплитуд весьма заметно. Так, максимум положительной огибаю-
щей импульса 3 (D
- = 0,05 мм, σD = 0,7) на треть меньше, чем для импульса 1 (
– = 0,02 мм, σD = 0,1).
На рис. 6 приведены нормированные на максимальное значение частотные спектры SN(f) дон-
ного сигнала модели преобразователя с номинальной частотой f0 = 10 МГц, параметра σD = 0,1,
среднего размера зерна D
- = 0,02 мм для нескольких значений толщины zc (рис. 6а); параметра
σD = 0,1, величины zc = 0,001 мм для нескольких значений размера D
- (рис. 6б); размера
– = 0,05 мм,
значения zc = 0,001 мм для нескольких величин параметра σD (рис. 6в).
Дефектоскопия
№ 8
2021
Исследование возможностей оценки состояния структуры металла трубопроводов...
9
AN
1,00
1
2
0,67
0,34
3
0,01
-0,32
-0,65
-0,98
0,0
0,7
1,4
2,1
t, мкс
Рис. 5. Нормированные импульсы донных сигналов модели преобразователя с частотой f0 = 7,5 МГц для толщины слоя
контактной жидкости zc = 0,001 мм:
1 — средний размер зерна D
- = 0,02 мм, параметр σD = 0,1; 2 —
– = 0,05 мм, σD = 0,1; 3 —
– = 0,05 мм, σD = 0,7.
SN
а
SN
б
1,0
1,0
1
1
2
0,8
2
0,8
3
0,6
0,6
3
4
4
0,4
0,4
0,2
0,2
0,0
0,0
0
4
8
12
16
20 f, МГц
0
4
8
12
16
20
f, МГц
SN
в
1,0
1
Рис. 6. Нормированные спектры донных сигналов модели
0,8
2
преобразователя с частотой f0 = 10 МГц:
а — для параметра σD = 0,1, среднего размера зерна D
- = 0,02 мм
(1
— толщины слоя контактной жидкости zc = 0,001 мм;
3
2 — zc = 0,002 мм;
3 — zc = 0,003 мм;
4 — zc = 0,004 мм);
0,6
б — для параметра σD = 0,1, толщины слоя контактной жидкости
-
4
zc = 0,001 мм (1 — среднего размера зерна D
= 0,02 мм;
2 — D
- = 0,03 мм; 3 — D
- = 0,04 мм; 4 —
– = 0,05 мм); в — для
среднего размера зерна D
- = 0,05 мм, толщины слоя контактной
0,4
жидкости zc = 0,001 мм (1 — параметра σD = 0,1; 2 — σD = 0,3;
3 — σD = 0,5; 4 — σD = 0,7).
0,2
0,0
0
4
8
12
16
20
f, МГц
Дефектоскопия
№ 8
2021
10
В.Н. Данилов, В.М. Ушаков, А.И. Рымкевич
Из сравнения рис. 4а и 6а видно существенное увеличения влияния изменения толщины кон-
тактной жидкости zc как на форму спектра, так на положение частотного максимума и его величи-
ну. Увеличение значения zc от 0,001 мм до 0,004 мм приводит к уменьшению частоты максимума
спектра на 1,2 МГц примерно (рис. 6а, f0 = 10 МГц), что на 0,4 МГц больше, чем для частоты
f0 = 7,5 МГц (см. рис. 4а); относительная величина максимума SN для f0 = 10 МГц для zc = 0,004 мм
составляет 0,5 примерно (см. зависимость 4 на рис. 6а), а для f0 = 7,5 МГц — ≈ 0,7 (см. зависимость
4 на рис. 4а).
Влияние изменения размера зерна D
- на спектр SN для модели преобразователя с частотой
f0 = 10 МГц (см. рис. 6б) гораздо более выражено, чем для модели f0 = 7,5 МГц. При увеличе-
нии значения D
- от 0,02 до 0,05 мм уменьшение частоты максимума спектра составляет, примерно
0,15 МГц для модели преобразователя с частотой f0 = 7,5 МГц и 0,6 МГц для модели с f0 = 10 МГц,
а соответствующее относительное значение смещения максимума спектра составляет ≈ 0,85 и 0,5.
Влияние разброса размеров зерен (параметра σD) на форму и максимум спектра для модели с f0 =
= 10 МГц гораздо более выражено, чем для модели с f0 = 7,5 МГц (ср. зависимости с одинаковыми
номерами на рис. 4в и 6в).
Нормированные импульсы донных сигналов модели преобразователя с частотой f0 = 10 МГц
для параметра σD = 0,1, среднего размера зерна D
- = 0,02 мм для значений толщины слоя контактной
жидкости zc = 0,001 мм и 0,003 мм приведены на рис. 7а, на котором видно значительное изменение
формы импульса и уменьшение максимума огибающей импульса 2 (zc = 0,003 мм) относительно
такого максимума импульса 1 (zc = 0,001 мм) в 3 раза.
AN
а
AN
б
0,98
0,98
1
1
0,65
0,65
2
0,32
0,32
3
2
-0,01
-0,01
-0,34
-0,34
-0,67
-0,67
-1,00
-1,00
0,0
0,5
1,0
t, мкс
0,0
0,5
1,0
t, мкс
Рис. 7. Нормированные импульсы донных сигналов модели преобразователя с частотой f0 = 10 МГц:
а — для параметра σD = 0,1, среднего размера зерна D
- = 0,02 мм (1 — толщины слоя контактной жидкости zc = 0,001 мм; 2 —
zc = 0,003 мм); б — для толщины слоя контактной жидкости zc = 0,001 мм (1 — среднего размера зерна D
- = 0,02 мм, параметра σD = 0,1;
2 — D
- = 0,05 мм, σD = 0,1; 3 —
– = 0,05 мм, σD = 0,7).
На рис. 7б приведены нормированные импульсы донных сигналов модели преобразователя с f0 =
= 10 МГц для толщины слоя контактной жидкости zc = 0,001 мм, среднего размера зерна D
- = 0,02 мм
(параметр σD = 0,1) и 0,05 мм (параметр σD = 0,1, 0,7). Можно отметить некоторое изменение фор-
мы импульсов 1 — 3 и весьма существенное различие их амплитуд. Максимум положительной
огибающей импульса 3 (D
- = 0,05 мм, σD = 0,7) составляет 0,37 от такого максимума импульса 1
(D
- = 0,02 мм, σD
= 0,1), а аналогичный максимум импульса 2 (D
- = 0,05 мм, σD = 0,1) — 0,55. Для
модели преобразователя с частотой f0 = 7,5 МГц (см. рис. 5) соответствующие значения относи-
тельных максимумов огибающих импульсов 3 и 2 составляют 0,84 и 0,67.
В табл. 2—4 приведены значения отношений максимумов огибающих импульсов донных
сигналов Amax/A0max (в дБ) для моделей прямых преобразователей с номинальными частотами
f0 = 5, 7,5, 10 МГц для различных значений среднего размера зерна D
- и параметра σD соответ-
ственно для толщины zc = 0,001, 0,002 и 0,003 мм (расстояние h = 30 мм). Значения A0max (опорных
донных сигналов) определялись для фиксированных параметров D
- = 0,02 мм и σD = 0,1 для каж-
Дефектоскопия
№ 8
2021
Исследование возможностей оценки состояния структуры металла трубопроводов...
11
Таблица
2
Отношения максимумов огибающих импульсов донных сигналов Amax/A0max (в дБ)
для толщины слоя контактной жидкости zc = 0,001 мм
σD
D
-, мм
f0 = 5 МГц
f0 = 7,5 МГц
f0 = 10 МГц
0,03
-0,09
-0,26
-0,96
0,1
0,04
-0,25
-0,74
-2,66
0,05
-0,52
-1,50
-5,06
0,03
-0,12
-0,36
-1,31
0,3
0,04
-0,33
-0,96
-3,37
0,05
-0,66
-1,89
-6,02
0,03
-0,21
-0,61
-2,10
0,5
0,04
-0,54
-1,47
-4,52
0,05
-0,97
-2,64
-7,25
0,03
-0,41
-1,05
-3,07
0,7
0,04
-0,86
-2,14
-5,65
0,05
-1,41
-3,46
-8,34
Таблица
3
Отношения максимумов огибающих импульсов донных сигналов Amax/A0max
(в дБ) для толщины слоя контактной жидкости zc = 0,002 мм
σD
D
-, мм
f0 = 5 МГц
f0 = 7,5 МГц
f0 = 10 МГц
0,03
-0,06
-0,21
-0,90
0,1
0,04
-0,18
-0,59
-2,46
0,05
-0,37
-1,12
-4,72
0,03
-0,08
-0,29
-1,22
0,3
0,04
-0,24
-0,74
-3,11
0,05
-0,48
-1,41
-5,72
0,03
-0,15
-0,50
-1,96
0,5
0,04
-0,39
-1,12
-4,29
0,05
-0,77
-2,02
-7,10
0,03
-0,30
-0,84
-2,92
0,7
0,04
-0,67
-1,67
-5,48
0,05
-1,19
-2,73
-8,33
дой модели преобразователя. Из табл. 2—4 видно монотонное убывание значения Amax/A0max при
возрастании величины среднего размера зерна D
- и частоты f0 модели преобразователя. Увеличе-
ние параметра σD приводит к смещению диапазонов изменения значения отношений максимумов
Amax/A0max. Так, например, для значения σD = 0,1 и размера зерна D
- = 0,05 мм отношение Am
/A0max
ax
при возрастании частоты f0 от 5 до 10 МГц изменяется от -0,52 до -5,06 дБ (см. табл. 2), а для
σD = 0,7 и того же размера D
- аналогичное изменение составляет уже от -1,41 до -8,34 дБ. Воз-
растание толщины слоя контактной жидкости zc приводит в ряде случаев к некоторому уменьше-
нию величин отношений максимумов огибающих импульсов донных сигналов при сохранении
общей тенденции их убывания с ростом значений D
- и f0 .
4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Металлографический анализ показал, что средний размер зерна D
- испытуемого металла, нахо-
дившегося в эксплуатации (с наработкой), увеличился с 25 до 50 мкм по сравнению металлом без
наработки (в этом случае наибольший размер D
- равен примерно 20 мкм (0,02 мм), см. табл. 1). Ука-
занные значения D
- и дисперсии σD обусловливали выбор рабочих частот от 5,0 до 10,0 МГц.
Дефектоскопия
№ 8
2021
12
В.Н. Данилов, В.М. Ушаков, А.И. Рымкевич
Таблица
4
Отношения максимумов огибающих импульсов донных сигналов Amax/A0max (в дБ)
для толщины слоя контактной жидкости zc = 0,003 мм
σD
D
-, мм
f0 = 5 МГц
f0 = 7,5 МГц
f0 = 10 МГц
0,03
-0,06
-0,14
-0,84
0,1
0,04
-0,18
-0,42
-2,29
0,05
-0,38
-0,89
-4,04
0,03
-0,09
-0,20
-1,14
0,3
0,04
-0,24
-0,55
-2,90
0,05
-0,49
-1,15
-5,39
0,03
0,15
-0,35
-1,83
0,5
0,04
-0,39
-0,90
-4,06
0,05
-0,77
-1,74
-6,90
0,03
-0,30
-0,66
-2,78
0,7
0,04
-0,68
-1,44
-5,33
0,05
-1,19
-2,46
-8,30
Теоретический расчет формы донного эхосигнала и его спектра показал следующее: влияние
изменения толщины zc контактного слоя от 0,001 до 0,004 мм сопоставимо с влиянием структуры
со средним размером D
- зерна от 20 до 50 мкм (от 0,02 до 0,05 мм) на спектр эхоимпульса, рас-
пространяющегося в испытуемом металле образцов. При этом указанное влияние увеличивается с
увеличением рабочей частоты от 5,0 до 10 МГц. В частности, на частоте 5,0 МГц такое изменение
величин zc и D
- лишь незначительно смещает частотное положение максимума спектра и несколь-
ко уменьшает его амплитуду. На частоте 10 МГц для максимальных значений zc и D
- наблюдается
гораздо более существенное уменьшение амплитуды максимума и его смещения в сторону низких
частот. Расширяется также полоса пропускания на уровне 6 дБ от максимума (см. рис. 6а и б). На-
пример, уменьшение амплитуды максимума спектра составляет примерно 6 дБ (ср. кривые 4 на
рис. 6а и б). Форма и длительность импульса эхосигнала менее подвержена изменениям, чем его
спектр за счет влияния толщины слоя контактной жидкости и среднего размера зерна металла, т.е.
спектр сигнала является более информативной характеристикой структуры металла.
Важный для практики ультразвуковой структуроскопии вывод состоит в необходимости учета
строго заданной шероховатости поверхности объекта испытаний. Влияние указанной шерохова-
тости можно исключить при нормировке по образцу с заданным размером зерна, т.е. получить ис-
ходный спектр сигнала, аналогичный, например, кривой 4 на рис. 6а.
В процессе оценки структуры необходимо обеспечить одинаковость шероховатости поверх-
ности и силы прижатия преобразователя по аналогии с исходным состоянием (т.е. при нормиров-
ке). Таким образом, процедура измерения шероховатости поверхности объекта контроля стано-
вится обязательной. Допуск на шероховатость может быть определен на основании теоретиче-
ского расчета.
Данные табл. 2—4 по существу показывают уменьшение чувствительности контроля при уве-
личении толщины слоя контактной жидкости zc от 0,001 до 0,004 мм. Указанное уменьшение для
использовавшегося в расчетах значения глубины донного сигнала h не превышает 9 дБ. Однако
приведенные данные требуют экспериментального подтверждения в зависимости от величины ше-
роховатости поверхности испытуемого металла.
На втором этапе работ по данной теме предполагается проведение экспериментов на образцах
металла, представленных в табл. 1.
5. ВЫВОДЫ
На основе металлографического анализа металла трубопроводов марок стали Ст20 и 15Х1М1Ф,
находившихся в эксплуатации, определены значения среднего размера зерна. Полученные значе-
ния 20—50 мкм (0,02—0,05 мм) использованы в теоретическом расчете параметров эхосигнала:
эхоимпульсов донных сигналов и их спектра.
Дефектоскопия
№ 8
2021
Исследование возможностей оценки состояния структуры металла трубопроводов...
13
Установлено равнозначное влияние толщины zc слоя контактной жидкости в пределах от 0,001
до 0,004 мм и среднего размера D
- (0,02—0,05 мм) зерна металла на спектр импульсов в диапазоне
рабочих частот 5,0—10,0 МГц. Получены количественные данные изменения спектра (смещения
максимума спектра и ширины полосы) для различных значений zc и D
-.
Показано, что спектр сигнала является более информативной характеристикой структуры ме-
талла по сравнению с формой и длительностью эхоимпульсов.
Полученные теоретические результаты требуют экспериментального подтверждения в зависи-
мости от величины zc и среднего размера зерна D
- для рабочих частот от 5,0 до 10,0 МГц.
Авторы выражают благодарность к.т.н. Д.М. Давыдову за подготовку образцов металла к ме-
таллографическому исследованию и к.т.н. А.С. Гуденко за проведение работ по металлографии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Нормы МАГАТЭ по безопасности SSG — 48. Управление старением и разработка программы
долгосрочной эксплуатации атомных электростанций. Специальное руководство по безопасности
№SSG-48. МАГАТЭ. Вена. 2018.
2. Нормы безопасности МАГАТЭ. Периодический анализ безопасности атомных электростанций.
Специальное руководство по безопасности №SSG-25. МАГАТЭ. Вена. 2013.
3. Щербинский В.Г. Ультразвуковая структуроскопия и тензометрия металлов: обзор // Тяжелое
машиностроение. 2016. № 3—4. С. 2—8.
4. Смирнов А.Н., Абабков Н.В., Муравьев В.В., Фальмер С.В. Критерии оценки технического со-
стояния длительно работающего металла оборудования ТЭС на основе акустической спектроскопии //
Дефектоскопия. 2015. № 2. С. 44—51.
5. Тютин М.Р., Ботвина Л.Р., Левин В.П., Ефимов А.Г., Кузелев Н.Р. Исследование механических
свойств конструкционных сталей акустическими и магнитными методами // Заводская лаборатория.
Диагностика материалов. 2017. Т. 83. № 7. С. 44—48.
6. Муравьев В.В., Злобин Д.В., Леньков С.В., Зверев Н.Н. Прибор для измерений скорости акустиче-
ских волн в металлах и сплавах // Приборы и техника эксперимента. 2016. № 3. С. 142—146.
7. Murav’eva О.V., Murav’ev V.V., Gabbasova M.A., Buldakova I.V., Sokov M.Yu. Analysis of Reflected
Signals in Testing Cylindrical Specimens by the Multiple Reflection Echo-Shadow Method // Optoelectronics,
Instrumentation and Data Processing. 2016. V. 52. No. 4. P. 1—7.
8. Меркулова В.М. Влияние распределения размеров зерен на затухание ультразвуковых волн //
Дефектоскопия. 1970. № 2. С. 111—113.
9. Кеслер Н.А., Шрайфельд Л.И. Исследование рассеяния ультразвука с учетом статистики распре-
деления величины зерен поликристаллических металлов // Дефектоскопия. 1975. № 1. С. 95—100.
10. Данилов В.Н. К расчету коэффициента затухания упругих волн при рассеянии в поликристалли-
ческих средах // Дефектоскопия. 1989. № 8. С. 18—23.
11. Ермолов И.Н., Ланге Ю.В. Неразрушающий контроль / Справочник в 7 т. Т. 3. Ультразвуковой
контроль. М.: Машиностроение, 2008. 864 с.
12. Ермолов И.Н. Контроль ультразвуком (краткий справочник). М.: НПО ЦНИИТМАШ, 1992. 86 с.
13. Меркулов Л.Г., Меркулова В.М. Лекции по теории ультразвука. Таганрогский радиотехнический
институт, 1976. 71 с.
14. Дымкин Г.Я., Кадикова М.Б. Ультразвуковой метод количественной оценки структуры металла
осей колесных пар // Дефектоскопия. 2009. № 7. С. 27 — 36.
15. Данилов В.Н. Программа компьютерного моделирования работы электроакустических трактов
дефектоскопов «Импульс +» // Дефектоскопия. 2006. № 3. С. 37—43.
16. Данилов В.Н., Воронкова Л.В. Исследование возможностей ультразвукового контроля чугуна с
пластинчатым графитом с использованием стандартных прямых преобразователей // Контроль. Диа-
гностика. 2020. № 1. С. 4—18.
17. Велев Б., Иванов И., Каменов В. Автоматизированная система комплексного неразрушающе-
го контроля структуры и механических свойств материалов машиностроения // Дефектоскопия. 2021.
№ 3. С. 17—25.
Дефектоскопия
№ 8
2021
