НОВЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЧАСТОТНЫЙ ИММЕРСИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ СТЕНКИ ТРУБНЫХ ИЗДЕЛИЙ А.М. Сляднев, А.А. Покладов, к.т.н. В.М. Бобренко, к.т.н. С.В. Веремеенко, к.т.н. В.Н. Сырбу, (АО «Votum», г. Кишинев), А.В. Мозговой (НПП «Машиностроение», г. Днепропетровск)


    Недостатками известных ультразвуковых способов измерения толщины являются низкая точность, помехоустойчивость, необходимость формирования коротких акустических импульсов (1-3 периода колебаний) и, как следствие, ограниченный диапазон измерения малых толщин стенок трубных изделий, обусловленные возможностью анализа только временных характеристик ультразвуковых колебаний и влияния на результат контроля биения трубного изделия в процессе его прокатки и т.д. Предлагаемый способ обеспечивает повышение точности и помехоустойчивости при измерении толщины трубных изделий, а также расширение диапазона измерений стенок малых толщин (от 0,2 мм) и уменьшение влияния на результат контроля биения трубного изделия. Сущность способа состоит в том, что при обработке отраженных УЗ колебаний проводят цифровую частотную фильтрацию и обработку импульсных эхо сигналов методом быстрого преобразования Фурье с представлением временной импульсной функции в виде суперпозиции конечного множества синусоид и фиксируют их частоты, которые кратны частотам отраженных от стенки трубного изделия УЗ колебаний и связанны с толщиной стенки трубного изделия соотношением: S = CM / 2F0 = nCM / 2Fn = (m - n)CM / 2?Fmn = (m - n)CM / 2(Fm - Fn), (1) где: S – значение толщины стенки трубного изделия, мм; CM – скорость распространения ультразвука в материале трубного изделия, мм/мкс; F0 – основная резонансная частота, Мгц; Fn – частота собственных колебаний или частота следования многократно отраженных от стенки трубного изделия n-ой гармоники импульсных колебаний, Мгц; ?Fmn = (Fm - Fn) –частотный промежуток между гармониками m и n спектра, Мгц; m, n – номера гармоник (1, 2, 3…), при этом n?m.
    Принятие в качестве информативных параметров основной резонансной частоты F0, частоты гармоники Fn или частотного промежутка между гармониками ?Fmn позволяет более точно связать их с толщиной стенки контролируемого трубного изделия и получить наиболее достоверные данные по результатам контроля, не зависящей от формы и амплитуды УЗ сигналов. ПРИБОР. УЗ частотный иммерсионный способ измерения толщины стенки трубных изделий реализуется с помощью прибора электронного многоканального [3] УСМ-8 и акустического блока (АБ). Прибор УСМ-8 состоит из 8-ми идентичных коналов, каждый из которых содержит генератор УЗК, приемник и другие необходимые электронные устройства для цифровой обработки, объединенных канальным процессором. В свою очередь канальные процессоры связаны с мощным центральным процессором, который осуществляет общую програмную обработку. Аналогичные функции реализуются универсальным ультразвуковым акустическим трактом «ТРАК» [4]. На рис.1 и 2 схематично представлены осциллограммы (а) и спектрограммы (б), которые могут быть получены в результате обработки ультразвуковых колебаний, отраженных от стенки трубного изделия на основе быстрого преобразования Фурье.


    В основу работы предлагаемого толщиномера положены два метода: иммерсионный метод свободных колебаний и эхо-импульсный метод с разрешением по частоте колебаний, многократно отраженных от стенки трубного изделия. Процесс измерения толщины стенки трубного изделия осуществляют следующим образом. При подготовке к работе в начале проводят калибровку по известным величинам толщины или скорости распространения УЗК простым вводом этих значений с помощью клавиатуры. Так же вводят верхний и нижний допуски в пределах, указанных в соотвутствующих НТД. Информацию о текущих значениях толщины стенки трубного изделия, необходимую для функционирования системы, получают в реальном масштабе времени от УЗ частотного иммерсионного толщиномера (данные, характеризующие параметры изделия: типоразмер, номера изделия и оператора и др.). Выходная информация представляет собой сигналы управления в виде совета оператору, входные данные, а также распечатку паспорта дефектности трубного изделия, содержащую сведения о внешних выявленных контролируемых параметрах (текущее значение толщины стенки трубного изделия, отклонение толщины от заданных допусков, координаты, протяженность и др.). В процессе измерений фиксируют частоты, кратные частотам отраженных от стенки трубного изделия ультразвуковых колебаний спектра (F0, Fn, ?Fmn). При этом полученные параметры связаны с толщиной стенки контролируемого трубного изделия соотношением (1). Информативные параметры (F0, Fn, ?Fmn) принимают с калибровкой диапазона рабочих частот на аттестованных по толщине стенки стандартных образцах, соответствующих номинальной, максимально и минимально допустимым значениям толщины стенки трубного изделия, при возможности подавления спектральных составляющих вне предела диапазона рабочих частот. Результаты обработки текущей информации о толщине стенки трубного изделия на основе метода быстрого преобразования Фурье схематично представлены в виде осциллограммы (рис.1а) и спектрограммы (рис.1б) для метода свободных затухающих колебаний, применяемого для измерения малых (от 0,2 мм) толщин стенки трубного изделия.
    На рис.1а: 1 – зондирующий импульс; 2 – отражение от передней грани; 3 – свободные затухающие колебания; Am – амплитуда; ? - время. На рис.1б: F – текущая частота; F0 – частота, соответствующая основной гармонике свободных затухающих колебаний от стенки трубного изделия; Am – амплитуда. На рис.2 представлены осциллограммы (рис.2а) и спектрограммы (рис.2б) после обработки текущей информации о толщине стенки трубного изделия на основе быстрого преобразования Фурье для эхо-импульсного метода многократно отраженных импульсных колебаний по толщине стенки трубы, применяемого для контроля в области средних и больших толщин (более 0,3 мм) стенки трубного изделия. На рис.2а: 1 и 2 то же, что на рис.1а, 3 – многократно отраженные от стенки трубного изделия импульсные колебания. На рис.2б: F – текущая частота; F0 – частота, соответствующая основной гармонике частоты следования многократно отраженных от стенки трубного изделия импульсных колебаний; 1…m, n, n+1, n+2 – гармоника спектра; ?Fmn = (Fm - Fn) – частотный промежуток между гармониками спектра.
    Для иммерсионного толщиномера (вариант с вращательно-поступательным перемещением труб) используется от 2-х и более каналов, а для варианта без вращения труб при их только поступательном перемещении от 8-ми и более (до 128-ми) каналов. В случае перемещения труб без ее вращения обеспечивается более высокая точность измерений толщины за счет измерений вдоль образующей трубы, где толщина изменяется плавно, что важно для технологов. При вращении труб идет усреднение по сечению трубы за оборот, где толщина изменяется скачками, что влияет существенно на точность измерения. В большинстве случаев профиль поверхности бесшовных труб изменяется в продольном и поперечном направлениях по сложному закону в виде случайных функций с ограниченным спектром колебаний. При этом частота колебаний в продольном направлении существенно ниже, чем в поперечном [5]. Предлагаемый способ был опробован в производственных условиях ЗАО «НЗНТ» г. Никополь для УЗ контроля толщин особотонкостенных труб диаметром 5-25 мм без вращения трубы на установке (в трёхканальном исполнении). Результаты контроля в виде осциллограмм и спектрограмм для труб ? 5х0,2, ? 6х0,3, ? 50х0,16 и ?73х4,95 представлены на рис.3-6 (см. подресуночные надписи ), а результаты записи измерений толщин для труб ? 5х0,3 при их поступательном перемещении без вращения труб на рис.7 и с вращением на рис.8.


    Результаты опробования подтвердили эффективность предлагаемого способа, который может быть рекомендован для ультразвуковой толщинометрии особотонкостенных и тонкостенных труб. В ближайшее время на основе полученных результатов, планируется опубликовать новые оригинальные импульсные методы измерения толщин в том числе и труб от 4мм и более, реализуемые прибором электронным многоканальным УСМ-8.


    Литература:
  1. Л.Л. Стукельман, В.А. Калинин, Ультразвуковой прибор “Металл-6” для непрерывного контроля толщины, Дефектоскопия, 1977, №3,с. 47-52.
  2. А.М. Сляднев, А.А. Покладов, В.М. Бобренко, С.В. Веремеенко, В.Н. Сырбу, Ультразвуковой частотный иммерсионный способ измерения толщины стенки трубных изделий, Patent Moldova, MD2367 F1 2004.01.31
  3. Прибор электронный многоканальный УСМ-8, Руководство по зксплуатации, VTM031012РЭ.
  4. Герасимов В. Г., Клюев В.В., Шатерников В.Е. «Методы и приборы вхретокового контроля промышленных изделий». М.: Энергоатомиздат, 1983. 242с.
  5. Валитов А.М. «Приборы и методы контроля толщины покрытий. Справочное пособие».М.2003г.-120с
  6. Универсальный ультрузвуковой акустический тракт «ТРАК». Руководство по зксплуатации, VTM030722РЭ
  7. Е.Д. Кузнецов, О достоверности размерного неразрушающего контроля бесшовных труб, Дефектоскопия, 1987, №5, с.56-60.