Аннотация результатов, полученных в 2015 году
1. Разработаны модели систем подмагничивания проходных электромагнитно-акустических (ЭМА) преобразователей в применении к неферромагнитным цилиндрическим объектам в программной среде Elcut. Исследованы зависимости величины и распределения по образующей осевой и радиальной компонент магнитного поля в зависимости от параметров системы подмагничивания, диаметра объекта, местоположения и размера высокочастотного индуктора. Даны рекомендации по оптимизации параметров систем подмагничивания. На основании рекомендаций разработаны, спроектированы, изготовлены и испытаны конструкции разработанных систем подмагничивания ЭМА-преобразователей в применении к неферромагнитным цилиндрическим образцам из сплава «К-Монель» для реализации ЭМА- зеркально-теневого метода на многократных отражениях. 2. Разработана физико–математическая модель формирования акустических полей волн горизонтальной поляризации, излучаемых фазированными решетками многоэлементных УЗ преобразователей в трубе, учитывающая конструктивные параметры решетки, параметры возбуждения (рабочая частота, временные и фазовые задержки при фокусировке, режим работы), свойства упругой среды, тип излучаемой волны. Разработана программа моделирования акустических полей фазированных решёток преобразователей для волноводного контроля труб «PATAF Simulator for GWPT», предназначенная для моделирования и исследования акустических полей фазированных решеток преобразователей при волноводном акустическом контроле труб с использованием крутильных и tH-волн. Исследованы зависимости параметров фокусировки, амплитуды и угла появления дифракционных лепестков в акустическом поле преобразователя tH-волн от геометрии решетки, рабочей частоты и параметров трубы, позволяющие обосновать основные параметры контроля, предельные расстояния фокусировки, возможности повышения чувствительности в зависимости от геометрических параметров трубопровода. 3 Разработана установка для реализации метода динамического электроподмагничивания проходных ЭМА-приемников стержневых волн, обеспечивающая возможность регулировки амплитуды и скорости нарастания тока в соленоиде в момент приема сигнала. Экспериментально исследована эффективность ЭМА-преобразования стержневых волн в условиях статического и динамического подмагничивания для прутков из различных марок сталей. Показано, что диапазон амплитуд сигнала в условиях статического подмагничивания составляет от 0,7 мВ для сталей с низкой эффективностью ЭМА-преобразования (А35Г2, 15Х2ГМФ, АС14, 38ХМА, сталь 20) до 50÷150 мВ - для сталей с высокой эффективностью (12Х18Н10Т, 20Х13, Н29К18, 03Х17Н5Д3Б). Во всех сталях наблюдается существенное (до 10 раз) увеличение амплитуды сигнала при использовании динамического подмагничивания, что позволяет проводить контроль при меньших полях и снизить массогабаритные размеры подмагничивающей системы. 4 Получены обобщенные интегральные решения задачи возбуждения и распространения крутильных волн в бесконечной трубе в условиях нагружения на контактные вязкоупругие среды, учитывающие параметры возбуждения, геометрию, вязкость и упругие характеристики трубы и окружающих ее сред, и реализованные в виде численного решения в среде Mathlab. С использованием полученных решений исследованы особенности и эффективность возбуждения крутильных волн в свободных трубах в зависимости от свойств материала трубы, ее геометрических размеров, а также влияние вязкоупругих параметров окружающих сред и условий контакта на амплитуды смещений крутильных волн в трубах с позиций выбора частотного диапазона, оценки дальности прозвучивания и чувствительности метода при разработке методик волноводного контроля трубопроводов в различных условиях эксплуатации. Разработана методика, и установка для сравнительных экспериментальных исследований возбуждения (приема) и распространения крутильной, симметричной, антисимметричной волн в условиях нагружения на вязкоупругие среды. 5 В рамках услуг сторонних организаций (ФГБУН «ФТИ УрО РАН») выполнены НИОКР «Разработка макетного образца экспериментальной установки для одностороннего возбуждения волн в трубах», «Разработка программного обеспечения для управления установкой одностороннего возбуждения волн в трубах, процессом контроля, регистрации и расчета выявленных информативных параметров». 6 Разработаны модели и изучены закономерности процессов распространения импульсов ультразвуковых волн и формирования серии многократных отражений в условиях излучения по огибающей эллиптического цилиндра, по толщине стенки трубы в условиях ее неравномерности, а также при неравномерности зазора между ЭМА-преобразователем и объектом контроля. Предложены подходы к обоснованию новых информативных параметров многократного зеркально-теневого ЭМА-метода контроля цилиндрических объектов, основанные на вероятностно-статистическом и корреляционном анализе серии многократных отражений. Экспериментально исследованы возможности использования разработанного зеркально-теневого метода многократных отражений с использованием проходных ЭМА-преобразователей для оценки структурного состояния, упругих свойств, анизотропии на примере прутков из рессорно-пружинной стали и медных образцов после равноканального углового упрочнения. http://dx.doi.org/10.1063/1.4932846 http://www1.fips.ru/fips_servl/fips_servlet

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
1. Предложен подход к расчету акустического тракта метода рефлектометрии при контроле теплообменных труб, основанный на анализе механических импедансов участков волноводов с дефектами, с учетом явлений дисперсии скорости и затухания волны, потерь, вносимых пристеночным слоем трубы и изгибами трубы. Проведена оценка чувствительности метода акустической рефлектометрии к дефектам в виде сквозного отверстия и отложения на фоне акустических шумов, обусловленных допустимыми отклонениями по толщине стенки трубы при производстве, а также внутренними наплывами в процессе сварки труб теплообменников. Научно обоснованы параметры контроля и браковочные критерии при разработке и эксплуатации методик и оборудования акустической рефлектометрии для труб различного диаметра и толщины стенки. http://sconf.istu.ru/docs/sbornik_2016.pdf http://sconf.istu.ru/docs/sbornik_2016.pdf http://pribor21.istu.ru/proceedings/Pribor21_2015.pdf 2. Теоретически и экспериментально исследованы эффективность возбуждения и распространения крутильных волн и мешающих мод (антисимметричных и симметричных нулевого и высших порядков) в трубах в зависимости от свойств материала трубы, ее геометрических размеров и параметров возбуждения, вязкоупругих свойств окружающих ее сред и условий их контакта со стенками трубы. В частности показано, - в диапазоне частот волноводного контроля имеют место собственные резонансы по диаметру трубы и антирезонансы по толщине стенки трубы, выраженность которых уменьшается с увеличением вязких потерь в трубе и в импульсном режиме возбуждения; - увеличение диаметра трубы приводит к уменьшению смещений в крутильных волнах, при этом наиболее резкие различия в амплитудах смещений наблюдаются на частотах, следующих за первым резонансом по диаметру; - ослабление крутильных волн, вызванное переизлучением в окружающие среды, с расстоянием растет по мере приближения акустического сопротивления материала трубы к акустическому сопротивлению окружающей среды (увеличения коэффициента скольжения), а также по мере уменьшения диаметра и толщины стенки трубы; - наблюдается близкая к линейной обратно пропорциональная зависимость амплитуды смещений от коэффициента скольжения, вызванного ухудшением условий контакта, при этом зависимость тем существеннее, чем меньше диаметр трубы; - любая внутренняя среда трубопровода и наружная жидкая среда с низкой сдвиговой упругостью практически не влияют на амплитуду смещений в крутильной волне, при этом уровень акустических шумов, обусловленных излучением мешающих мод колебаний, существенно уменьшается при нагружении на жидкие среды; - экспериментально установлено, что в случае нагружения трубы на твердые среды (глина) ослабление амплитуды эхо-импульсов в сравнении со свободной трубой для крутильной моды минимально и составляет 0,6 дБ/м, для продольной моды – 1,8 дБ/м, для изгибной моды – 5,0 дБ/м, что объясняется наличием в структуре волн вертикальной, горизонтальной и угловой компонент смещений, переизлучаемых в окружающие среды; Разработанная теория может быть положена в основу обоснования параметров контроля в части выбора частотного диапазона, оценки дальности прозвучивания и чувствительности метода при разработке методик волноводного контроля трубопроводов различных типоразмеров в различных условиях эксплуатации. Представлены результаты производственных испытаний и промышленного использования методов волноводного контроля для прутков-заготовок пружин, насосных штанг, насосно-компрессорных труб, утяжеленных насосных штанг на предприятиях-производителях и в цехах сервисного обслуживания элементов глубинно-насосного оборудования. http://link.springer.com/article/10.1134/S1061830916020066 http://link.springer.com/article/10.1134/S1061830916090035 http://oil-industry.net/en/Journal/archive_detail.php?ID=10951&art=229396 http://pribor21.istu.ru/proceedings/IEET-2015.pdf http://sconf.istu.ru/docs/sbornik_2016.pdf 3. Теоретически исследована чувствительность волн Лэмба и SH-волн к изменению упругих свойств в различных областях дисперсионных кривых, при этом наибольшая чувствительность соответствует области максимальной дисперсии скорости. Обоснованы рекомендации по использованию волн Лэмба для оценки анизотропии тонколистового проката в части выбора частотного диапазона, моды волны, учета масштабного коэффициента анизотропии. Разработана конструкция электромагнитно-акустического преобразователя для контроля анизотропии листов, направленного на увеличение точности измерений, улучшение эффективности ЭМА преобразования, увеличение чувствительности, расширение функциональных возможностей устройства, повышение достоверности. Выявлена связь между коэффициентом упругой анизотропии и механическими характеристиками проката (предел прочности, текучести и относительное удлинение), пронормированными к толщине тонколистового проката из низкоуглеродистых сталей 08пс и DC01. Показаны возможности получения угловой индикатрисы и распределения коэффициента упругой анизотропии по поверхности листа. http://www1.fips.ru/wps/portal/IPS_Ru#1481124013355 4. Разработан способ и устройство определения продольного и сдвигового акустического импеданса вязкоупругих сред, основанные на измерении потерь на переизлучение в исследуемую среду продольных и горизонтально-поляризованных поперечных волн и анализе амплитудно-частотных характеристик и параметров эквивалентной электрической схемы замещения пьезопластины, поочередно погружаемой в исследуемую среду, эталонную среду (с целью калибровки) и воздух (для учета внутренних потерь). http://sconf.istu.ru/docs/sbornik_2016.pdf 5. Разработаны осесимметричные модели формирования акустических полей, создаваемых проходным ЭМА преобразователем в цилиндрическом объекте, и формирования серии многократных отражений, в том числе при эллиптичности, наличии поверхностных и внутренних моделей дефектов. методом конечных элементов в программной среде COMSOL Multiphysics Разработанные модели позволяют исследовать акустический тракт зеркально-теневого метода на многократных отражениях и оценить его чувствительность в зависимости от параметров возбуждения, параметров объекта контроля и параметров дефекта. Экспериментально исследована чувствительность многократно-теневого электромагнитно-акустического метода контроля прутков к модельным дефектам, ориентированным параллельно продольной оси прутка и залегающим на различной глубине. Получены зависимости ослабления, коэффициента выявляемости и времени реверберации серии импульсов многократных отражений от глубины залегания модельных дефектов. http://pribor21.istu.ru/proceedings/Pribor21_2015.pdf 6. Разработаны осесимметричные модели формирования магнитного поля, создаваемого системой подмагничивания, и поля вихревых токов, индуцируемых катушкой индуктивности для проходного электромагнитно-акустического преобразователя продольных волн в цилиндрических объектах, в том числе с поверхностными и приповерхностными дефектами в программной среде COMSOL Multiphysics. Разработанные модели позволяют провести оптимизацию зазора между ЭМА-преобразователем и объектом, массогабаритных размеров и конструкций систем подмагничивания и катушки индуктивности ЭМА-преобразователя, а также оценить влияние на параметры сигнала поверхностных и подповерхностных дефектов в широком диапазоне диаметров и свойств объекта контроля. http://elibrary.ru/item.asp?id=26701777 7. Исследованы возможности использования ЭМА метода многократной тени при контроле цилиндрических объектов с использованием рэлеевских волн. Теоретически и экспериментально исследовано влияние радиуса кривизны поверхности на скорость, затухание, расхождение и ослабление рэлеевских волн при реализации метода многократной тени. Предложен алгоритм обработки сигналов рэлеевских волн, обобщенный на случай произвольных диаметров и различной эффективности ЭМА-преобразования. Исследовано влияние типа и параметров дефекта на вероятностные характеристики сигналов рэлеевских волн и их спектров, что позволило предложить новые информативные параметры для использования в качестве критериев браковки. 8. Разработаны подходы к численной обработке осциллограмм многократных отражений для образцов с модельными отражателями на различной глубине, основанные на методах корреляционного, спектрального и вероятностно-статистического анализа, позволившие обосновать дополнительные информативные параметры при реализации ЭМА зеркально-теневого контроля цилиндрических объектов: разброс коэффициентов корреляции отраженных импульсов в сравнении с бездефектным образцом (более чем в 2 раза); изменение параметров спектральной характеристики дефектного образца в сравнении с нормированным опорным спектром бездефектного образца (сужение полосы частот на 25 %, увеличение неравномерности спектра, уменьшение на 20% амплитуды, соответствующей основной частоте спектра); изменение вероятностных характеристик сигнала, возведенного в квадрат (увеличение в 8 раз математического ожидания и в 80 раз дисперсии, уменьшение в 2 раза асимметрии и в 4 раза эксцесса в сравнении с образцом с дефектом на глубине). http://scitation.aip.org/content/aip/proceeding/aipcp/10.1063/1.4967038 9. Разработаны методики и стенды для моделирования усталостных испытаний прутков на изгиб с вращением, позволяющие моделировать воздействие на оси вагонов, локомотивов, подъемных сооружений при эксплуатации. Ведутся исследования влияния накопленной усталости на основные акустические характеристики. Исследовано влияние механических растягивающих напряжений в прутках из конструкционных сталей на скорость, затухание и эффективность ЭМА-преобразования с использованием зеркально-теневого ЭМА метода многократных отражений. Показана возможность использования разработанных методик в качестве тонкого инструмента для анализа процессов перестройки структуры под влиянием механических воздействий (растяжение, вращение с изгибом и другие), а также для точного определения акустоупругих коэффициентов. http://link.springer.com/article/10.3103/S8756699016040087 http://pribor21.istu.ru/proceedings/IEET-2015.pdf 10. Разработан макетный образец модуля сопряжения раздельно-совмещенных преобразователей с акустическим дефектоскопом насосных штанг АДНШ-3 и платой АЦП ЛАн-150, включающий усилитель резонансного типа на частоте 220 кГц, 75 дБ и генератор релаксационного типа с напряжением выходного импульса –350 В для реализации методик волноводного контроля в высокочастотной области. Разработана плата интерфейса и программное обеспечение для управления процессом контроля, регистрации и расчета выявленных информативных параметров в установке волноводного контроля прутков. Разработанная плата интерфейса обеспечивает нормализацию и фильтрацию сигналов; управление АЦП Е20-10, синхронизацию сигналов и связь с персональным компьютером. Разработанное программное обеспечение реализовано в среде разработки С++ и обеспечивает подключение блоков установки волноводного контроля; настройку режимов работы блоков установки; управление процессом контроля, регистрации и передачи данных в ПК; обеспечения связи с ПК с помощью платы интерфейса; сбора измеренных данных; визуализации измеренных данных; расчета выявленных информативных параметров; обработки данных с целью улучшения соотношения сигнал/шум; документирования результатов измерения. http://ieeexplore.ieee.org/document/7491803/?reload=true&part=1

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
1. В программной среде COMSOL Multiphysics разработаны конечно-элементные модели: формирования фокуса волн горизонтальной поляризации в трубах с помощью фазированной решётки преобразователей; процессов распространения крутильной и стержневой волн в прутках и трубах и их отражения от внутренних и поверхностных, в том числе линейно-протяженных дефектов; процесса распространения крутильных волн в прутках различного профиля сечения; формирования собственных механических резонансов конструкций низкочастотных акустических преобразователей для волноводного контроля. На основании разработанных моделей: оценены предельные возможности по чувствительности и по расстоянию к дефектам при волноводном контроле труб различного диаметра, при различном фокусном расстоянии и угле сканирования, частоте зондирующего импульса, количестве преобразователей в фазированной решётке; выявлены закономерности влияния линейных размеров и глубины залегания дефекта на коэффициенты отражения стержневой и крутильной волн; выявлен эффект уменьшения скорости и эффект дисперсии для прутков с профилем сечения, отличным от круглого; теоретически и экспериментально исследованы зависимости коэффициента затухания крутильной, симметричной и изгибной волны от параметров вязкости и модуля сдвига контактных сред; исследовано влияние упругих характеристик и геометрических параметров элементов конструкции акустических преобразователей и способа крепления на объекте на рабочую частоту и чувствительность преобразователя. На основании выявленных закономерностей предложены новые способ определения вязкоупругих свойств среды, основанный на оценке затухания серии эхо-импульсов многократных отражений от торцов трубы и способ оценки глубины протяженных дефектов по обобщенной скорости крутильной волны. 2. Разработан информационно-измерительный комплекс волноводного контроля, предназначенный для возбуждения и регистрации акустических нормальных волн в композитной арматуре, с программным обеспечением «Analyse» для предварительной обработки (фильтрация, селекция донных импульсов, интерполяция) и расчета информативных параметров (время между донными импульсами, затухание серии импульсов, уровень акустического шума) в пакетном режиме. Проведены оценки скоростей стержневой и крутильной волн в композитной арматуре в количестве более 1100 прутков 5 производителей с различным диаметром и процентом армирования, показавшие влияние на среднюю скорость и диапазон ее отклонений внутри одной партии степени отверждения полимера и процента армирования; предложен новый способ определения упругих модулей композитной арматуры (сдвига, Юнга, коэффициента Пуассона) по значениям скоростей стержневой и крутильной волн; обоснован критерий браковки, выявлены волноводным методом и визуально подтверждены недопустимые дефекты: узел, наплыв, разрыв, отслоение нитей, утолщение, наплыв на узле. 3. Разработаны устройство раздельно-совмещенного ЭМА-преобразователя для одновременного возбуждения и приема симметричной и антисимметричной мод волн Лэмба в тонколистовом прокате; устройство раздельно-совмещенного преобразователя для одновременного возбуждения и приема рэлеевских и поперечных волн в толстолистовом прокате с возможностью изменения базы прозвучивания и угла ввода для объектов произвольной толщины. Разработаны принципы построения экспериментальной установки для одностороннего возбуждения волн установка повышенной мощности в раздельном или совмещенном режимах излучения-приема. Разработаны конструкции адаптеров к воздушному акустическому эхолоту для реализации внутритрубной акустической рефлектометрии труб теплообменников различных диаметров с возможностью регулировки частотного диапазона динамического излучателя; разработана конструкция внутреннего твердотельного преобразователя крутильных волн, обеспечивающая надежный акустический контакт первичных преобразователей с внутренней поверхностью трубы теплообменника в диапазоне диаметров за счет использования толкателя и подвижных оснований. Проведены испытания разработанных устройств при прозвучивании листов и труб теплообменников. Экспериментально обнаружены различия в характеристиках углового распределения скоростей симметричной и изгибной волн Лэмба, имеющих ортогональное направление преимущественных векторов смещений относительно направления прокатки. 4. В программной среде COMSOL Multiphysics разработаны: конечно-элементные модели формирования акустического поля проходного ЭМА-преобразователя поперечных волн в прутках, в том числе с внутренними и по-верхностными дефектами; модели формирования магнитного поля системой подмагничивания и поля вихревых токов высокочастотным индуктором ЭМА-преобразователя в прутках, в том числе в деталях с резьбой. Выявлены: особенности формирования акустического поля (сходящийся сферический фронт в плоскости сечения с фокусом в центре прутка и с локальным существенным увеличением амплитуды и слабо расходящийся вдоль образующей объекта), определяемого геометрией прутка, параметрами возбуждения, типом и местоположением модельного дефекта; особенности формирования осциллограмм многократных отражений, подтвержденные экспериментально на прутках, в том числе с искусственными дефектами; особенности распределения индукции магнитного поля и плотности вихревых токов в зависимости от параметров магнитной системы, частоты тока возбуждения, конструктивных зазоров, магнитных и электрических свойств объекта для деталей с резьбой при различном положении высокочастотного индуктора относительно гребня резьбы. 5. Разработана конструкция разъемного проходного ЭМА преобразователя, обеспечивающего расширение функциональных возможностей за счет возможности контроля цилиндрических объектов с локальными утолщениями (галтельные переходы, высаженные концы головок насосных штанг, резьба большего диаметра, сварка) и проведена его апробация для контроля насосных штанг диаметром 19 мм. Исследовано влияние характеристик компонентов аппаратно-программного комплекса (тип операционной системы, тип и частота дискретизации АЦП) на производительность зеркально-теневого ЭМА-метода контроля на многократных отражениях в процессе сканирования. Показана возможность значительного прироста по производительности (скорость 5 м/мин) с использованием разработанного алгоритма обработки поступающих данных при использовании непрерывного режима скользящего окна. 6. Проведенные исследования в области акустической структуроскопии ЭМА-методом многократных отражений термически обработанных образцов пруткового проката выявили: в структуре мартенсита скорость распространения продольных, поперечных и рэлеевских волн имеет минимальное значение, для наиболее равновесных феррито-перлитных структур скорости принимают максимальное значение, в структурах зернистого сорбита скорость волн имеет промежуточное значение; скорости распространения объемных и рэлеевских волн уменьшаются с ростом пределов прочности, текучести и твердости прутков и увеличиваются с ростом пластичности и относительного удлинения волн (коэффициенты корреляции от 0,7 до 0,9); с увеличением механических напряжений растягивающей нагрузкой в упругой области образцов пруткового проката из рессорно-пружинных, низколегированных перлитных и хромоникелевых сталей наблюдается линейное снижение скорости распространения объемных и рэлеевских волн, при этом чувствительность поперечных волн к механическим напряжениям максимальна; значения акустоупругих коэффициентов для поперечной волны составляют -8.2, рэлеевской – 3.2, продольной – 1.1 1/ТПа; при переходе в зону текучести наблюдается нелинейность в поведении скорости поперечных волн, при этом соответствующие акустоупругие коэффициенты увеличиваются. 7. Исследования мешающего фактора плавки пруткового проката на скорости стержневых, крутильных и поперечных волн, проведенные на выборке из 410 прутков в 12 партиях конструкционной хромистой стали 40Х со специальной отделкой поверхности показали, что в число основных факторов, влияющих на определение скорости, входят отклонения по диаметру прутков в пределах квалитета как внутри одной партии, так и различных партий, в меньшей степени колебания по химическому составу в пределах марки сплава, а также внутренние напряжения, полученные при прокатке и рихтовке, структурная неоднородность по длине прутка после термической обработки, зональная ликвация по химическому составу. На основе результатов исследований предложен способ оценки отклонений по диаметру прутка по зависимости скоростей поперечной и крутильной волн. Результаты экспериментальных исследований закономерности изменения скорости поперечных волн при испытаниях цилиндрического образца на усталость по схеме консольного изгиба с вращением показали возможность оценки структурных изменений при усталости металла: с увеличением нагрузки и количества циклов нагрузки скорость поперечных волн снижается в сталях перлитного класса и растет в аустенитных сталях. Разработанные конечно-элементные модели; исследованные в ходе моделирования закономерности; предложенные на основе полученных закономерностей способы контроля; научно-обоснованные требования к конструированию преобразователей и оборудования, выбору информативных параметров контроля; выявленные в ходе экспериментов структурно-чувствительные факторы измеряемых параметров составляют фундаментальную и научно-практическую базы для разработки новых высокоэффективных методов дефектоскопии, структуроскопии, определения геометрии, реализуемых с использованием перспективных электромагнитно-акустических технологий волноводного и зеркально-теневого метода многократных отражений в приложении к широкому классу объектов из различных материалов. Большинство выполненных работ требует продолжения исследований для углубления знаний в этой области и получения новых научных результатов, более детальных исследований выявленных эффектов. По итогам работы в 2017 г. опубликовано 10 статей в рецензируемых российских и зарубежных научных изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science или Scopus, в том числе одна статья в 1 квартиле (Q1), 19 статьей в журналах РИНЦ, получен патент на полезную модель, поданы 2 заявки на изобретение, программный продукт. Результаты работы докладывались на 9 российских и международных конференциях По результатам работы трех лет работы над проектом в 2017 году подготовлена монография «Акустический волноводный контроль линейно-протяженных объектов»