Способ ультразвукового контроля плоского напряженного состояния акустически анизотропных материалов при переменных температурах
METHOD FOR ULTRASONIC TESTING OF PLANE STRESS STATE OF ACOUSTICALLY ANISOTROPIC MATERIALS AT VARIABLE TEMPERATURES

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано для определения напряженного состояния анизотропного материала технических объектов, температура которых изменяется в процессе измерений, с помощью ультразвуковых волн.
В настоящее время для определения одноосного и плоского двухосного напряженного состояния широкое распространение получил метод акустоупругости. [Никитина  Н.Е.  Акустоупругость.  Опыт  практического применения / Н.Е. Никитина.–– Н. Новгород: ТАЛАМ, 2005.  –– 208 с.] Этот метод эффективно работает для однородных изотропных материалов. Напряженное состояние, близкое к плоскому, реализуется в стенках газопроводов. Дополнительную сложность в расчетные алгоритмы акустоупругости вносит акустическая анизотропия, свойственная многим современным конструкционным материалам, в частности трубным сталям, изготовленным методом регулируемой прокатки. Значительное влияние на результаты определения напряженного состояния также оказывает колебание температуры.
Применение электромагнитно-акустических преобразователей (ЭМАП) для ультразвукового контроля существенно увеличило диапазон возможностей метода акустоупругости. Одним из важнейших эффектов от применения ЭМАП для задач контроля напряженного состояния стало существенное расширение температурного диапазона использования метода акустоупругости. Применение этого метода стало возможным для технических объектов, эксплуатируемых в жестких климатических условиях Крайнего Севера, в том числе в условиях резкого перепада температур.
Как показано в работе [Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник под ред. В.В. Клюева. – М.: Машиностроение, 2005. – 656 с.], термоакустические коэффициенты связаны с акустоупругими коэффициентами пропорциональной зависимостью. Акустоупругие коэффициенты, как следует из результатов современных исследований, зависят от степени акустической анизотропии материала, при этом неучет факта зависимости акустоупругих коэффициентов от степени анизотропии может привести к существенным погрешностям при определении напряжений.
Известен способ ультразвукового контроля напряженного состояния материала технического объекта [Патент РФ № 2723146 G01 N029/04, опубл.09.06.2020, бюл. № 16] заключающийся в том, что излучающим электроакустическим преобразователем в нагруженный объект и его ненагруженный аналог вводят импульсы ультразвуковых продольных и поперечных волн, принимают приемными преобразователями отраженные донные импульсы, измеряют времена прохождения этих волн в нагруженном и ненагруженном объектах, определяют изменения задержек прошедших сигналов и по их разности определяют величины напряжений. К недостаткам данного способа относится отсутствие учета двух важнейших факторов – акустической анизотропии материала объекта и его температуры, что приводит к заметным погрешностям измерений.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ определения плоского напряженного состояния анизотропного материала [Никитина Н. Е. Учет температурного фактора при ультразвуковом контроле напряженного состояния трубопроводов [Текст] / Н. Е. Никитина, А. В. Камышев, С. В. Казачек // Дефектоскопия. – 2012. – № 5. – С. 20-25], заключающийся в том, что излучающими электроакустическими преобразователями в нагруженный объект и его ненагруженный аналог вводят импульсы ультразвуковых продольных и поперечных волн, принимают приемными преобразователями отраженные донные импульсы, измеряют времена прохождения этих импульсов в нагруженном и ненагруженном объектах, определяют изменения задержек прошедших сигналов и по их разности определяют величины напряжений. Учет акустической анизотропии осуществляется за счет использования дополнительных акустоупругих коэффициентов, а температуры – путем использования в расчетных алгоритмах термоакустических коэффициентов зависимости скоростей упругих волн различных типов от температуры материала объекта.
Недостатком известного способа является отсутствие учета влияния акустической анизотропии материала на термоакустические коэффициенты поперечных волн, что приводит к увеличению погрешности определения плоского напряженного состояния.
Целью изобретения является повышение достоверности определения плоского напряженного состояния в элементах конструкций, изготовленных из анизотропного материала, при изменении температуры контролируемой конструкции.
Технический результат - повышение точности определения плоского напряженного состояния акустически анизотропных материалов путем учета влияния акустической анизотропии на термоакустические коэффициенты.
Технический результат достигается тем, что действующие напряжения рассчитываются по уточненным формулам акустоупругости, учитывающим влияние акустической анизотропии на термоакустические коэффициенты поперечных упругих волн.
Технический результат достигается тем, что в способе определения плоского напряженного состояния анизотропного материала, заключающегося в том, что излучающими электроакустическими преобразователями в нагруженный объект и его ненагруженный аналог вводят импульсы ультразвуковых продольных и поперечных волн, принимают приемными преобразователями отраженные донные импульсы, измеряют времена прохождения этих импульсов в нагруженном и ненагруженном объектах, определяют изменения задержек прошедших импульсов и по их разности определяют величины напряжений с  учетом акустической анизотропии путем использования дополнительных акустоупругих коэффициентов, а температуры – путем использования в расчетных алгоритмах термоакустических коэффициентов зависимости скоростей упругих волн различных типов от температуры материала объекта, с целью уточнения результатов определения плоского напряженного состояния проводится учет разницы термоакустических коэффициентов поперечных волн, поляризованных вдоль различных осей анизотропии анизотропного материала.
Для одного из наиболее распространенного в технике ортотропного материала, в котором действующие главные напряжения – продольное   и поперечное  – лежат в плоскости  и направлены вдоль осей  и , совпадающих с осями анизотропии [Бобренко В.М., Вангели М.С., Куценко А.Н. Акустическая тензометрия. – Кишинев: Штиинца, 1991. – 204 с.], уравнения акустоупругости для определения напряженного состояния выглядят следующим образом:
,        (1)
,        (2)
где , , , , ,,
,  - времена распространения упругих поперечных волн, поляризованных соответственно вдоль осей  и  в напряженном состоянии, , , - в ненапряженном состоянии, , - соответствующие времена распространения продольных волн.  – изменение температуры материала объекта при изменении напряжений. Волновые векторы волн всех типов направлены вдоль оси , , , - термоакустические коэффициенты времени для волн соответствующих типов,  – коэффициент объемного теплового расширения материала объекта, ,,, – тензометрические  или упругоакустические  коэффициенты, определяемые экспериментально.
Обычно авторами инженерных методик акустоупругости в отношении термоакустических коэффициентов поперечных волн со взаимно  перпендикулярными векторами поляризации делается предположении об их равенстве:
.   (3)
То же самое регламентируется нормативными документами ГОСТ Р 52890-2007, ГОСТ Р 56664-2015.
Однако, из физических представлений об особенностях распространения поперечных горизонтально поляризованных волн в акустически анизотропных материалах следует, что для них равенство (3) не выполняется. Действительно, термоакустические коэффициенты связаны с акустоупругими коэффициентами пропорциональной зависимостью. Акустоупругие коэффициенты, как следует из результатов современных исследований, зависят от степени акустической анизотропии материала, при этом неучет факта зависимости акустоупругих коэффициентов от степени анизотропии может привести к существенным погрешностям при определении напряжений. То же может произойти и при допущении справедливости равенства (3) в случае акустически анизотропных материалов.
Для оценки влияния температуры на результаты измерения двухосных напряжений формулы (1), (2) удобно записать следующим образом:
,       (4)
, (5)
где , соответствуют напряжениям, возникающим в объекте при неизменной температуре  и рассчитываемым по обычным формулам акустоупругости
, (6)
, (7)
Температурные добавки к напряжениям можно записать следующим образом
,(8)
,      (9)
где добавки  и  зависят от разности термоакустических коэффициентов поперечных и продольных волн с поправкой на температурный коэффициент расширения:
,
(10)
,     (11)
- среднее значение термоакустического коэффициента времени для поперечных волн: .
Добавки  и  возникают при невыполнении равенства (3):
(12)
(13)
Для проверки высказанных предположений проводился эксперимент по определению термоакустических коэффициентов  и  на образцах акустически изотропной стали Ст 20 и трубной стали класса прочности Х70 толщиной 16 мм с разными степенями собственной акустической анизотропии , приблизительно равными 3%  и 7%.
Измерения задержек (времен распространения) импульсов упругих волн проводились с помощью измерительно-вычислительного комплекса «АСТРОН» (№ в Государственном реестре средств измерений 67552-17), имеющего метрологически обеспеченное среднее квадратическое отклонение неисключенной систематической погрешности , равное 1 нс. Погрешность используемого контактного термометра составляла 0,1°C.
Измерения проводились с помощью прямых совмещенных преобразователей с частотой 5 МГц двух типов; - обычного преобразователя продольных волн и преобразователя поперечных волн, имеющего в качестве активного элемента две рядом расположенные пьезопластинки со взаимно перпендикулярными векторами поляризации. Для обработки результатов измерений с помощью оригинального преобразователя поперечных волн использовались два раздельных приемо-передающих канала ИВК «АСТРОН» для каждой пьезопластинки.
На Фиг. 1 (Типичная осциллограмма отраженных импульсов поперечных волн) приведена осциллограмма импульсов поперечных волн, типичная для обоих каналов.
Для исследованных образцов задержка между 1-м и 2-м отраженными импульсами поперечных волн составляла приблизительно 10 мкс. Поэтому применение ИВК «АСТРОН» обеспечивает величину относительной погрешности  при измерении задержки между 1-м и -м отраженными импульсами порядка . Использовались 1-й и 6-й отраженные импульсы, что обеспечивало относительную погрешность измерения временных интервалов для поперечных волн приблизительно .
На Фиг. 2, 3, 4 приведены графики зависимостей , для трех исследованных образцов. Фиг. 3 (Термоакустические кривые для образцов из анизотропной стали Х70 со степенью собственной анизотропии порядка 3%), фиг. 4 (Термоакустические кривые для образцов анизотропной стали Х70 со степенью собственной анизотропии порядка 7%)
Фиг. 2 (Термоакустические кривые для образцов из акустически изотропной стали 20) показывает, что для акустически изотропной стали разница термоакустических коэффициентов поперечных волн практически отсутствует, что и следовало ожидать.
Для акустически анизотропной стали с величиной собственной анизотропии порядка 3 % термоакустические коэффициенты составляют:
,, для анизотропной стали с величиной ,, т.е для нее разность термоакустичеких коэффициентов вдвое больше. При этом для первой стали , а для второй .
Погрешность определения термоакустических коэффициентов можно оценить по приближенной формуле:
,     (14)
где , - абсолютная погрешность определения задержки,  - ее среднее значение,,  - абсолютная погрешность определения температуры в диапазоне .
-4
-1
При доверительной вероятности 95% погрешность определения термоакустических коэффициентов составляет приблизительно 0,01×10 град, поэтому разница термоакустических коэффициентов для исследованных анизотропных сталей представляется значимой.
Для оценки влияния анизотропии термоакустических коэффициентов на погрешность определения двухосного напряженного состояния, рассмотрим величины
и , характеризующие соотношение добавок к расчетным значениям напряжений с учетом и без учета анизотропии термоакустических коэффициентов. Из формул (10 - 13) следует, что
(15)
(16)
По данным публикации [Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник под ред. В.В. Клюева. – М.: Машиностроение, 2005. 656 с.] коэффициент объемного теплового расширения для исследуемых марок стали . В соответствии с результатами работы [Никитина Н. Е. Учет температурного фактора при ультразвуковом контроле напряженного состояния трубопроводов [Текст] / Н. Е. Никитина, А. В. Камышев, С. В. Казачек // Дефектоскопия. – 2012. – № 5. – С. 20-25.] примем .
Экспериментальные результаты, приведенные в работе [Углов А.Л., Хлыбов А.Л. О контроле напряженного состояния газопроводов из анизотропной стали методом акустоупругости Дефектоскопия, 2015, № 4, с. 34-41.] дают следующие значения для упруго-акустических (тензометрических) коэффициентов:
для стали с начальной анизотропией, равной 3% , , , ,
для стали с начальной анизотропией, равной 7%:
, , , ,
Таким образом, для акустически анизотропной стали с начальной анизотропией порядка 3 % получаем: , для акустически анизотропной стали с начальной анизотропией порядка 7 %: , что уже довольно существенно и свидетельствует о необходимости  учета анизотропии термоакустических коэффициентов.
Например, при резких температурных перепадах, расчет напряжений без учета анизотропии термоакустических коэффициентов может привести к заметным погрешностям, составляющих, как это следует из формул (12), (13),  порядка 50 и 100 МПа для исследованных анизотропных сталей при перепаде температур 50 °С.
Результаты как теоретического анализа, так и сравнительных экспериментальных исследований, проведенных на образцах из изотропной стали и анизотропной стали с разной степенью собственной акустической анизотропии, показали для последней наличие разницы термоакустических коэффициентов по-разному поляризованных поперечных волн, заведомо превышающей погрешность измерений. При этом эта разница увеличивается с увеличением степени анизотропии.
Оценка погрешности, вызванной пренебрежением влияния акустической анизотропии материала на его термоакустические коэффициенты поперечных волн, показала, что для стали со значительной собственной анизотропией резкие перепады температур, свойственные условиям Арктики, могут привести к существенным ошибкам в расчете напряжений.
На основании полученных результатов предложены уточненные расчетные формулы, для определения плоского напряженного состояния анизотропного материала, учитывающие анизотропию термоакустических коэффициентов поперечных волн.