Исследование поврежденности металла под защитным покрытием с помощью электромагнитноакустического преобразователя

Диагностика состояния металлических сплавов неразрушающими методами Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010, № 5 (2), с. 113-115

УДК 620.179.16:[669:620.19]

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВРЕЖДЕННОСТИ МЕТАЛЛА ПОД ЗАЩИТНЫМ ПОКРЫТИЕМ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОАКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

© 2010 г. В.А. Клюшникое1, В.В. Мишакин1, 2, Н.В. Данилова1, 2

1 Нижегородский филиал Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН 2Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского

тпЛЗ 1 @т!з-пп.ги

Поступила в редакцию 17.05.2010

Исследовано влияние величины пластической деформации образцов из стали 08пс, имеющих защитное покрытие различной толщины, на акустические характеристики этой стали с помощью электромагнитно-акустического (ЭМА) преобразователя. Применение ЭМА преобразователя позволяет оценить пластическую деформацию металла под покрытием. Исследование стресс-коррозионной по-врежденности стали 09Г2С показало возможность оценки плотности стресс-коррозионных трещин на поверхности металла под покрытием бесконтактным методом.

Ключевые слова: покрытие, пластическое деформирование, статическое нагружение, стресс-коррозионная поврежденность, акустические параметры, электромагнитно-акустический преобразователь.

Диагностика повреждений металла под защитным покрытием представляет существенную проблему и имеет большое прикладное значение, поэтому проведение исследовательских работ по созданию методики оперативного, безопасного и сравнительно дешевого контроля состояния поверхности без разрушения защитного покрытия или с минимальным его повреждением является важной научной и технической задачей. Одним из самых распространенных методов контроля дефектности является акустический метод. В последнее время все большее распространение получает бесконтактный метод ввода и приема ультразвука с использованием электромагнитно-акустических (ЭМА) преобразователей. Метод позволяет вводить упругие колебания через защитные слои пластика, краски и другие покрытия, а также через поверхности, подверженные коррозии. Это делает метод удобным для промышленного использования. Чаще всего ЭМА преобразователи используются для акустической толщино-метрии и для обнаружения макродефектов -пор, инородных включений, трещин, в том числе усталостных. Однако в ряде случаев необходимо оценивать состояние материала до образования макродефектов на стадии накопления микроповреждений, которая может занимать большую часть ресурса материала, а также для оценки рассеянных повреждений, примером которых являются стресс-коррозионные трещины под защитным слоем.

Целью работы являлось исследование влияния пластического деформирования и стресс-коррозионной поврежденности металлов, имеющих защитные покрытия, на их акустические характеристики.

В качестве объектов исследования использовались три плоских образца из стали 08пс (размерами 180x20x4 мм), предварительно деформированные на 0; 5.5 и 16% при одноосном растяжении, с наклеенными на них слоями полистирола с толщиной 0.3; 0.6 и 1 мм. Исследовался также образец из стали 09Г2С, имеющий сеть стресс-корозионных трещин под покрытием из полистирола с толщиной 0.6 мм. В качестве излучающего и принимающего устройства использовался ЭМА толщиномер А1270. С выхода толщиномера электрический сигнал поступал на ЭМА преобразователь, который через защитный слой возбуждал в исследуемом материале поперечные волны линейной поляризации с частотой около 3 МГц. Ширина импульсов 0.55 мкм. Переотраженные ультразвуковые сигналы с выхода толщиномера поступали на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) ЛА-н10и8В с частотой дискретизации 100 МГц. Амплитудно-временная диаграмма сигнала в цифровом виде поступала на ПК. Для устранения шумов АЦП включали в режиме накопления сигналов (число реализаций - 100).

Величина параметра акустической анизотропии А [1, 2], измеряемого акустическим методом, определяется следующим образом:

А _ 2Ух -Уу) _ 2(тгу -х2Х) _

(Ух + Угу) тгу + тгх

_ 2{/^гх -у[^гу ) _ К {Г20 _ Т= Т^^_ КЖ^4 ,

V ^гх + у ^у

где К№ - коэффициент; /игх и /игу - модули сдвига; Угх, Угу и тгх, тгу - скорости и времена распространения поперечных упругих волн (УВ), поляризованных вдоль и поперек направления проката соответственно.

Параметр А в первую очередь зависит от изменения кристаллографической текстуры, в гораздо меньшей степени - от изменения модулей упругости в результате накопления структурных повреждений в материале, и монотонно зависит от величины пластической деформации е р1 для ряда сталей [2]. По величине этого параметра, который измеряется через защитное покрытие с помощью ЭМА преобразователя, можно оценить неразрушающим методом величину пластической деформации.

Связь величины пластической деформации с параметром А для стали 08пс представлена на рис. 1: кривой 1 соответствует материал без покрытия, 2 - толщина покрытия 0.3 мм, 3 - толщина покрытия 0.6 мм, 4 - толщина покрытия 1 мм.

Как видно из рис. 1, с увеличением значения пластической деформации растет величина акустической анизотропии. При увеличении толщины покрытия погрешность измерения вели-

—4 —3

чины А увеличивается от 3.7x10 до 1.4x10 , что связано с уменьшением соотношения сигнал-шум. Величина шума состоит из двух составляющих - структурных шумов, которые связаны с неоднородностью структуры металла, и случайных шумов, связанных с электронными устройствами. Налагаясь на полезные сигналы, они изменяют случайным образом фазу принимаемых сигналов, что отражается на точности

измерения времени распространения УВ. Накопление сигналов позволяет существенно увеличить соотношение сигнал-шум за счет уменьшения случайной составляющей шума.

Связь величины пластической деформации со средним значением параметра А для стали 08пс можно аппроксимировать полиномом второй степени:

ер1 _ к0 + к1А + к2

Значения коэффициентов к, входящих в уравнение (1) при толщине покрытия 0.6 мм: к0 =1.23, к1=1815, ка^^Ю6.

При увеличении толщины покрытия происходит изменение кривых А (ер1). Это связано с

изменением условий ввода поперечных волн при увеличении зазора между ЭМА преобразователем и поверхностью металла. В силу своих конструктивных особенностей ЭМА преобразователи частично излучают в материал поперечные волны с поляризацией, перпендикулярной основной поляризации. Наложение этих волн смещает фазы отраженных сигналов. Соотношение амплитуд поперечных волн разной поляризации зависит от величины зазора. Точность измерения величины ер1 при толщине покрытия 0.3 мм составляет 0.5%, при толщине 1 мм -около 1%.

Для экспериментального изучения влияния стресс-коррозионной поврежденности на акустические параметры использовался фрагмент бывшей в эксплуатации трубы магистрального трубопровода с толщиной 13 мм и размерами 470x480 мм (сталь 09Г2С). На этом фрагменте были выбраны участки с различным уровнем стресс-корозионной поврежденности. Эти участки имеют плотности п (количество трещин на единицу поверхности), равные 0, 3.77х104 м-2

4 -2

и 4.71x10 м . Средняя глубина трещин 2,02,5 мм, средняя длина 6 мм. Трещины имели преимущественную ориентацию вдоль образующей трубы.

0 10000 20000 30000 40000

п, 1/м2

Рис. 2

Рис. 1

На рис. 2 приведена зависимость амплитуды донного сигнала А^ от плотности стресс-коррозионных трещин п (1 - поляризация поперечных УВ вдоль ориентации трещин, 2- поляризация УВ поперек ориентации трещин).

Как видно из рис.2, амплитуда сигналов при поляризации УВ поперек ориентации трещин выше, чем при поляризации вдоль. Это связано с влиянием двух факторов. Первый фактор - это влияние текстуры на затухание поперечных волн, поляризованных вдоль и поперек проката, второй фактор - преимущественная ориентация стресс-корозионных трещин. Как видно из рис. 2, амплитуды донного сигнала в материале без трещин при разном направлении поляризации различны. При увеличении плотности трещин различие между амплитудами возрастает, что связано с изменением условий рассеяния волн разной поляризации относительно преимущественной ориентации трещин. Данный факт может быть использован для определения преимущественной ориентации трещин под покрытиями.

Заключение

Исследование влияния величины пластической деформации образцов из стали 08пс,

имеющих защитное покрытие различной толщины, на акустические характеристики этой стали с помощью бесконтактного электромагнитно-акустического преобразователя показало, что его применение позволяет оценить величину пластической деформации металла, расположенного под защитным покрытием. Изучение стресс-коррозионной поврежденности стали 09Г2С показало возможность оценки плотности стресс-коррозионных трещин на поверхности металла бесконтактным методом под защитным покрытием.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 09-08-00892-а, 09-08-00827-а).

Список литературы

1. Allen D.R., Sayers C.M. The measurement of residual stress in textured steel using an ultrasonic velocity combinations technique // Ultrasonics. 1984. V. 22. № 4. P. 179-188.

2. Мишакин В.В., Наумов М.Ю., Мишакин С.В., Кассина Н.В. Разработка акустического метода оценки поврежденности металлических сплавов до образования микротрещины // Дефектоскопия. 2007. № 10. С. 49-57.

INVESTIGATION OF METAL DAMAGE UNDER PROTECTIVE COATINGS USING AN ELECTROMAGNETIC-ACOUSTIC TRANSDUCER

V.A. Klyushnikov, V. V. Mishakin, N. V. Danilova

The influence has been studied of the plastic deformation value of 08ps steel samples with different thicknesses of the protective coating on the steel acoustic characteristics using electromagnetic-acoustic (EMA) transducer. The use of EMA transducer allows the plastic deformation value of the metal under the coating to be estimated. The investigation of stress-corrosion damage of 09G2S steel revealed the possibility to estimate the density of stress-corrosion cracks on the metal surface under the coating by a non-contact method.

Keywords: protective coating, plastic deformation, static loading, stress-corrosion damage, acoustic parameters, electromagnetic-acoustic transducer.