Автоматизация технологии ультразвукового контроля паяных соединений элементов теплообменных аппаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Малый Валерий Валерьевич

• Малый Валерий Валерьевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Малый Валерий Валерьевич

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ

ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

1.1 Анализ объекта контроля

1.2 Анализ существующих методов и средств неразрушающего контроля для контроля паяных соединений элементов теплообменных аппаратов

1.2.1 Ультразвуковой контроль

1.2.2 Вихретоковый контроль

1.3 Анализ существующих средств автоматизации технологий ультразвукового контроля паяных соединений

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НА ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ КОНТРОЛЯ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

2.1 Постановка задачи по исследованию распространения ультразвуковых волн в элементах теплообменных аппаратов

2.2 Аналитическое описание распространения ультразвуковых волн в объекте контроля

2.2.1 Распространение ультразвуковых волн в пластинах и тонких пластинках

2.2.2 Распространение ультразвуковых волн в тонких пластинках в контакте с жидкостью

2.3 Конечно-элементное моделирование распространения ультразвуковой волны в элементах теплообменных аппаратов

2.3.1 Постановка задачи для конечно-элементного моделирования

2.3.2 Создание модели для конечно-элементного моделирования

2.3.3 Моделирование распространения ультразвуковой волны при наличии дефектов в паяном соединении

2.3.4 Моделирование распространения ультразвуковой волны при изменении угла положения ультразвукового преобразователя

2.3.5 Моделирование распространения ультразвуковой волны при горизонтальном изменении положения ультразвукового преобразователя

2.4 Анализ результатов конечно-элементного моделирования распространения ультразвуковой волны при контроле паяных соединений элементов теплообменных аппаратов

2.4.1 Ошибка первого рода при ультразвуковом контроле паяных соединений элементов теплообменных аппаратов

2.4.2 Ошибка второго рода при ультразвуковом контроле паяных соединений элементов теплообменных аппаратов

2.4.3 Определение зависимостей полученного сигнала от положения пьезоэлектрического преобразователя

2.5 Валидация конечно-элементной модели распространения УЗ волн при контроле паяных соединений элементов теплообменных аппаратов

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

3.1 Анализ основных узлов опытного образца системы автоматизированного ультразвукового контроля паяных соединений элементов теплообменных аппаратов

3.2 Разработка основных составных частей опытного образца системы автоматизированного ультразвукового контроля паяных соединений элементов теплообменных аппаратов

3.2.1 Разработка устройства установки и вращения объекта контроля

3.2.2 Разработка устройств позиционирования пьезоэлектрического преобразователя

3.2.3 Определение погрешностей основных механизмов опытного образца

3.3 Разработка системы управления опытного образца

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АПРОБАЦИЯ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ

ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

4.1 Разработка алгоритма автоматизированного контроля паяных соединений элементов теплообменных аппаратов

4.2 Практическая апробация опытного образца системы автоматизированного ультразвукового контроля паяных соединений элементов теплообменных аппаратов

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. ЗНАЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ Шал И UHC ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РАЗМЕРАХ ДЕФЕКТОВ, УГЛОВЫХ ОТКЛОНЕНИЯХ И ЛИНЕЙНЫХ СМЕЩЕНИЯХ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УЗ КОНТРОЛЯ ПС ЭЛЕМЕНТОВ ТА

ПРИЛОЖЕНИЕ В. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА СОЕДИНЕНИЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. ПРОТОКОЛ КОНТРОЛЯ, СФОРМИРОВАННЫЙ ПРИ АПРОБАЦИИ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. АКТ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. ТЕКСТЫ ПУБЛИКАЦИЙ

Реферат

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация технологии ультразвукового контроля паяных соединений элементов теплообменных аппаратов»

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

В настоящее время, элементы теплообменных аппаратов (ТА) играют важную роль в различных отраслях промышленности, таких как энергетика, нефтегазовая промышленность, химическое производство и многие другие.

ТА представляют собой многостенные конструкции, как правило, двухстенные. В большинстве случаев, соединение стенок осуществляется при помощи пайки. Паяные соединения (ПС) обеспечивают неразъемное соединение между элементами ТА и их качество влияет на работу теплообменного контура, от чего зависит работоспособность элемента ТА в целом. Нарушение технологического процесса пайки влияет на вероятность возникновения различного рода дефектов. Наиболее опасными [2-5, 8-10], с точки зрения снижения прочности ПС, являются дефекты типа «частичный непропай» (частичное незаполнение паяльного зазора припоем) и «непропай» (полное незаполнение паяльного зазора припоем), наличие которых может привести к отказу ТА на рабочем режиме.

Для снижения вероятности возникновения отказов необходимо осуществлять технический контроль качества паяных соединений на наличие дефектов типа «частичный непропай» и «непропай». Однако, в настоящее время, контроль ПС осуществляется посредством проведения разрушающих испытаний, таких как гидравлические испытания на прочность, пневматические испытания на герметичность и огневые испытания. Разрушающим испытаниям подвергаются выборочные изделия из партии, что не исключает наличие дефектов в изделиях данной партии. Для обеспечения сплошного контроля изделий всей партии необходимо проведение неразрушающего контроля (НК).

Однако, технологии НК качества ПС элементов ТА, описанные в работах [13, 16, 33-36], обладают недостаточной оперативностью и достоверностью

результатов контроля. В результате анализа данных технологий, определено, что в них недостаточно учтена сложность позиционирования ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) относительно объекта контроля (ОК), что повышает количество ошибок при интерпретации результатов контроля. Для повышения оперативности и достоверности результатов контроля необходима автоматизация технологии ультразвукового контроля, что обуславливает актуальность темы диссертационных исследований.

Степень разработанности темы исследования

В наиболее перспективных технологиях контроля [1, 3, 16, 33-37] паяных соединений элементов теплообменных аппаратов применяются разновидности методов ультразвукового контроля, включая эхо-импульсный и теневой способы, а также лазерно-ультразвуковой контроль. Некоторые исследования [2, 20] также рассматривают применение вихретокового неразрушающего контроля для выявления дефектов в паяных соединениях.

Контролю паяных соединений посвящены многочисленные теоретические и экспериментальные исследования ученых, таких как Шитиков В. С. (ФГУП «НПО «Техномаш» им. С.А.Афанасьева») [2] , Назаров В. П. (Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева) [33], Карабутов А. А. (Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова) [34], Попов А. В. (Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина») [35], Полянский А. М. (АО «НПО Энергомаш» им. академика В.П. Глушко)[36], Полянский В. М. (Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана)[36], Сергеев Д. С. (Университет ИТМО) [16, 37], Кинжагулов И. Ю. (Университет ИТМО) [1], Федоров А. В (Университет ИТМО) [3]. Однако, практическое применение методов неразрушающего контроля на практике требует решения множества научных и инженерно-технических задач.

Объектом исследования является система автоматизированного ультразвукового контроля паяных соединений элементов теплообменных аппаратов.

Предметом исследования выступают методы и алгоритмы автоматизации ультразвукового контроля паяных соединений элементов теплообменных аппаратов.

Целью диссертационных исследований является повышение оперативности и достоверности результатов ультразвукового контроля паяных соединений элементов теплообменных аппаратов на основе автоматизации его технологии.

Задачи исследования:

1. Провести анализ существующих методов и средств контроля паяных соединений элементов теплообменных аппаратов.

2. Исследовать влияние позиционирования ультразвукового преобразователя на достоверность результатов контроля паяных соединений элементов теплообменных аппаратов.

3. Разработать опытный образец системы автоматизированного ультразвукового контроля паяных соединений элементов теплообменных аппаратов.

4. Провести экспериментальную апробацию опытного образца системы автоматизированного ультразвукового контроля паяных соединений элементов теплообменных аппаратов.

Научная новизна

Научная новизна результатов состоит в следующем:

1. Впервые исследованы и установлены зависимости изменения значений параметров сигнала в различных зонах акустического тракта от значений параметров положения ультразвукового преобразователя относительно конструктивных элементов теплообменных аппаратов.

2. Разработан алгоритм управления системой ультразвукового контроля, который отличается от известных наличием обратной связи, формируемой на основе данных по результатам контроля.

Теоретическая значимость

Теоретическая значимость диссертационной работы заключается в развитии теоретических и экспериментальных основ ультразвукового контроля, а именно в совершенствовании методов и алгоритмов, применяемых в автоматизированных системах ультразвукового контроля.

Практическая значимость

Практическая значимость результатов диссертационного исследования состоит в том, что разработанная технология позволяет повысить оперативность проведения ультразвукового контроля паяных соединений элементов теплообменных аппаратов по сравнению с ручным в 8 раз, а также повысить достоверность результатов контроля на 10% по сравнению с аналогичными автоматизированными.

Методология и методы исследования

Для решения поставленных задач применялись методы математического и компьютерного моделирования, математической статистики, физический эксперимент.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Полученные зависимости изменения значений параметров сигнала в различных зонах акустического тракта от значений параметров положения ультразвукового преобразователя относительно конструктивных элементов теплообменных аппаратов позволили разработать алгоритм управления системой ультразвукового контроля с обратной связью, формируемой на основе данных по результатам контроля. (п.4 паспорта специальности 2.2.8)

2. Применение опытного образца системы, являющийся основным элементом технологии, позволяет повысить оперативность проведения контроля по сравнению с ручным в 8 раз, а также повысить достоверность результатов контроля

на 10% по сравнению с аналогичными автоматизированными. (п.7 паспорта специальности 2.2.8)

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы имеют практическую значимость для ООО «НТЦ «Эталон», и, были использованы при создании опытного образца оборудования автоматизированного неразрушающего контроля качества пайки оребрёных стенок.

Степень достоверности результатов работы

Достоверность полученных результатов обосновывается следующим:

- согласованностью теоретических выводов, результатов моделирования с результатами практических экспериментов;

- апробацией технологии на элементах теплообменных аппаратов;

- внедрением результатов диссертационного исследования в решение конкретных задач создания автоматизированных систем ультразвукового контроля;

- апробацией основных результатов, полученных в ходе диссертационных исследований, на научно-практических конференциях, как на Всероссийском, так и на международном уровнях.

Апробация результатов работы

Основные результаты исследования были представлены и обсуждены на следующих конференциях:

1. 17-я Международная конференция «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации» (ARMIMP-2024), г. Суздаль, Владимирская область, ГТК «Суздаль», 23.09.2024 - 26.09.2024 г.

2. Молодежная научно-техническая конференция в рамках XI Международного промышленного Форума «Территория КОТ 2024» в области технологий и средств неразрушающего контроля и технической диагностики, г. Москва, ЦВК Экспоцентр, 15.04.2024 - 17.04.2024 г.

3. XXIII Всероссийская научно-техническая конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике в рамках Х юбилейного

международного промышленного форума «Территория КОТ 2023» г. Москва, ЦВК Экспоцентр, 23.10.2023 - 25.10.2023 г.

4. 16-я Международная конференция "Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации" (ARMIMP-2023), г. Суздаль, Владимирская область, ГТК «Суздаль», 09.10.2023 - 12.10.2023 г.

5. VII Международная конференция "Информационные технологии и технические средства управления" (1ССТ-2023), г. Астрахань, Астраханский Государственный технический университет, 02.10.2023 - 06.10.2023 г.

6. 17-я Международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков» ОМИП-2023 г. Москва, Национальный исследовательский университет «МЭИ», 26.06.2023 - 30.06.2023 г.

7. XXXIV Уральская конференция с международным участием «Физические методы неразрушающего контроля (Янусовские чтения)», г. Пермь, ФГАОУ ВО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», 20.04.2023 - 21.04.2023 г.

8. XII конгресс молодых ученых ИТМО, г. Санкт-Петербург, Университет ИТМО, 03.04.2023 - 06.04.2023 г.

9. Пятьдесят вторая (ЬП) научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО, г. Санкт-Петербург, Университет ИТМО, 31.01.2023 -03.02.2023 г.

10. VI Международная конференция «Информационные технологии и технические средства управления» (ГССТ-2022), г. Астрахань, Астраханский государственный технический университет, 03.10.2022 - 07.10.2022 г.

11. XXXIII Уральская конференция ФМНК (Янусовские чтения), г. Екатеринбург, ИФМ УрО РАН, 19.04.2022 - 20.04.2022 г.

12. XI конгресс молодых ученых ИТМО, г. Санкт-Петербург, Университет ИТМО, 04.04.2022 - 08.04.2022 г.

13. Пятьдесят первая (и) научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО, г. Санкт-Петербург, Университет ИТМО, 02.02.2022 -05.02.2022 г.

14. 16-я Международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков» ОМИП-2021 г. Москва, Национальный исследовательский университет «МЭИ», 28.06.2021 - 02.07.2021 г.

15. XXXII Уральская конференция ФМНК (Янусовские чтения), г. Екатеринбург, ИФМ УрО РАН, 30.03.2021 - 31.03.2021 г.

Личный вклад соискателя

Личный вклад соискателя заключается в постановке цели и задач теоретических и экспериментальных исследований, планировании и проведении физических и численных экспериментов, анализе результатов, разработке требований к оборудованию и настроечным образцам, а также в разработке алгоритмов управления системой автоматизированного ультразвукового контроля. Соискатель также ответственен за апробацию разработанной технологии ультразвукового контроля на предприятии-изготовителе элементов теплообменных аппаратов.

Публикации

Основные результаты по теме диссертации изложены в 13 публикациях. Из них 4 изданы в рецензируемых научных изданиях, индексируемых в международной реферативной базе Web of Science/Scopus, 4 - в изданиях из перечня рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук (далее - Перечень ВАК), 5 - в изданиях, входящих в базу РИНЦ.

В международных изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus:

1. Malyy V., Gubin M.S., Kostyukhin A., Fedorov A.V., Kinzhagulov I.Y Development of an Algorithm of Displacing the Measuring Module of an Automated Nondestructive Testing System // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing - 2024, Vol. 60, No. 3, pp. 426-434

2. Malyy V. V., Gubin M.S., Kostyukhin A.S., Fedorov A.V., Kinzhagulov I.Y Development of an Algorithm for the Movement and Adjusting Measuring Transducers

of an Automated Non-Destructive Testing System // 2023 7th International Conference on Information, Control, and Communication Technologies, ICCT 2023 - 2023, pp. 1-6

3. Malyy V.V., Kostyukhin A.S., Fedorov A.V., Kinzhagulov I.Y. Development of Technology for Automated Non-Destructive Quality Testing of Soldered Joints of Heat Exchangers // 2022 International Conference on Information, Control, and Communication Technologies (ICCT) - 2022, pp. 1-4

4. Kostyukhin A., Pavlukhin E., Malyy V. Development and experimental testing of the technique of ultrasonic control of brazed joints of heat exchangers // Journal of Physics: Conference Series - 2021, Vol. 2127, No. 1, pp. 012054

В изданиях из перечня ВАК РФ:

1. Малый В.В., Губин М.С., Костюхин А.С., Федоров А.В., Кинжагулов И.Ю. Разработка алгоритма движения измерительного модуля автоматизированной установки неразрушающего контроля // Автометрия - 2024. - Т. 60. - № 3. - С. 120128

2. Малый В.В., Костюхин А.С., Федоров А.В., Кинжагулов И.Ю. Разработка алгоритма движения измерительного модуля установки автоматизированного неразрушающего контроля сопел ЖРД // Дефектоскопия -2023. - № 9. - С. 55-57

3. Лобастов М.М., Аминов А.Б., Малый В.В., Губин М.С., Федоров А.В., Кинжагулов И.Ю. Создание опытного образца оборудования для автоматизированного неразрушающего контроля качества пайки оребреных стенок ДСЕ ЖРД // Труды НПО "Энергомаш имени академика В.П. Глушко" - 2023. - №2 40. - С. 305-317

4. Малый В.В., Костюхин А.С., Кинжагулов И.Ю. Разработка технологии неразрушающего контроля качества паяных соединений теплообменных аппаратов и определение принципов её автоматизации // Технико-технологические проблемы сервиса - 2022. - № 3(61). - С. 11-17

В иных изданиях:

1. Малый В.В., Костюхин А.С., Федоров А.В., Кинжагулов И.Ю. Создание технологии автоматизированного неразрушающего контроля качества

паяных соединений теплообменных аппаратов // Технические средства систем управления и связи = International scientific forum on control and engineering. Материалы Международного научного форума. Материалы VI Международной конференции. Материалы 15-й Международной конференции (Астрахань, 3-7 октября 2022 г.) - 2022. - С. 195-197

2. Малый В.В., Костюхин А.С. Разработка технологии контроля паяных соединений теплообменных аппаратов // Альманах научных работ молодых ученых Университета ИТМО - 2022. - Т. 2. - С. 88-90

3. Малый В.В., Костюхин А.С., Губин М.С., Федоров А.В., Кинжагулов И.Ю. Разработка алгоритма движения измерительного модуля автоматизированной установки неразрушающего контроля // Оптические методы исследования потоков: труды XVII Международной научно-технической конференции (Москва, 26-30 июня 2023 г.) - 2023. - С. 305-309

4. Малый В.В., Губин М.С., Костюхин А.С., Федоров А.В., Кинжагулов И.Ю. Разработка алгоритма повышения точности измерительного модуля системы автоматизированного неразрушающего контроля // Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации: труды XVI Международной научно-технической конференции (Суздаль, 9-12 октября 2023г.) -2023. - № XVI. - С. 334-337

5. Малый В. В., Костюхин А. С., Федоров А. В., Кинжагулов И. Ю. Разработка алгоритма движения измерительного модуля установки автоматизированного неразрушающего контроля // Физические методы неразрушающего контроля (Янусовские чтения): Тезисы докладов XXXIV Уральской конференции с международным участием, Пермь, 20-21 апреля 2023 года. - Екатеринбург: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук, 2023. - С. 94-95.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и пяти приложений. Основной текст диссертационной работы

содержит 145 страниц, 60 рисунков, 32 таблиц и 103 ссылки на литературные источники.

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационных исследований, представлен анализ её разработанности, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, теоретическая и практическая значимости исследования. Описана методология и методы исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту. Приведена информация о достоверности и апробации полученных результатов, а также о структуре и объёме диссертации.

В первой главе проведен анализ существующих решений для неразрушающего контроля (НК) качества паяных соединений (ПС) элементов теплообменных аппаратов (ТА). Рассмотрены конструкции элементов ТА, возможные дефекты в ПС и причины их возникновения. Проведен обзор современных видов и методов НК, определены преимущества и недостатки каждого из них.

ТА представляют собой многостенные конструкции, как правило, двухстенные (рисунок 1), которые могут иметь сложную геометрическую форму. Под сложной геометрической формой понимается форма объекта, которая в своей основе представляет сумму геометрических тел.

Наружная и внутренняя стенки ТА выполняются, как правило, из различных материалов. Материал внутренней стенки должен обеспечивать быстрый отвод тепла, а материал наружной стенки должен обеспечивать прочность конструкции в течение заданного времени. Например, пара бронзового сплава БрХ08 для внутренней стенки и никелевого сплава ЭК61 для наружной стенки. В большинстве случаев, стенки соединены при помощи пайки.

Рисунок 1 - Эскиз внутреннего сечения элемента ТА

Ввиду особенностей геометрической формы и многостенной конструкции ТА, процедура пайки стенок является сложной технологической задачей, требующей высокой точности исполнения и контроля результата выполнения технологических операций. Нарушение технологических операций процесса пайки при изготовлении элементов ТА может привести к возникновению в ПС таких дефектов как «непропай» (полное незаполнение паяльного зазора припоем) и «частичный непропай» (частичное незаполнение паяльного зазора припоем).

Несмотря на значительные достижения в области НК и средств его автоматизации, для контроля ПС элементов ТА по-прежнему широко используются разрушающие методы, такие как гидравлические испытания на прочность, пневматические испытания на герметичность и огневые испытания. Разрушающим методам контроля подвергаются выборочные изделия из партии, что не гарантирует отсутствие дефектов в оставшейся части партии.

Применение методов НК для оценки качества ПС в элементах ТА остается ограниченным из-за недостаточной оперативности и достоверности результатов контроля. Эти недостатки обусловлены ошибками в позиционировании ультразвуковых (УЗ) ПЭП, что приводит к ошибкам первого рода (перебраковка) и второго рода (недобраковка).

Для повышения оперативности и достоверности результатов контроля необходимо разработать дополнительные методы и алгоритмы позиционирования ПЭП относительно внутренней структуры (ребра, канавки, ПС) элемента ТА.

Вторая глава посвящена исследованию влияния позиционирования УЗ ПЭП на достоверность результатов контроля ПС элементов ТА.

Для исследования акустический тракт был разделен на 4 зоны: зона внутренней стенки, зона ребра, зона паяного соединения и зона наружной стенки (рисунок 2).

1 - зона внутренней стенки, 2 - зона ребра, 3 - зона паяного соединения,

4 - зона наружной стенки Рисунок 2 - Схематичное изображение разделения акустического тракта на

зоны

Разделение на зоны позволило более детализировано анализировать процессы распространения УЗ волн и их взаимодействие с внутренней структурой элемента ТА, что способствует более достоверному выявлению дефектов в ПС элементов ТА.

Эти исследования позволили получить информацию о том, как УЗ волны распространяются в объекте контроля (ОК) и как они взаимодействуют с его структурой.

Для анализа распространения УЗ волны в данных зонах рассматривались как распространение УЗ волны в пластинах (для зон внутренней и наружной стенки) и тонких пластинках (для зон ребра и паяного соединения).

Процесс распространения ультразвуковых волн в пластинах описывается математическими уравнениями, которые описывают движение частиц упругой среды, которые в свою очередь выражаются через уравнения упругости. Для изотропной пластины уравнения упругости представляется следующим образом:

/V2u + (Л + /)V(V(u)) = р^, (1)

где x, y и z - координаты определенной точки в декартовой системе координат;

д2 д2 д2

V2 = -—- + -—- + — - оператор Лапласа;

дх2 ду2 dz2

Л и / - константы Ламе, Па;

u = (их, иу, uz) - вектор смещения частиц, м;

V = -д + -д + -д-оператор набла;

д х д у д z

р - плотность, кг/м3;

t - время, с [26].

Рассматривая продольную УЗ волну, распространяющуюся в тонкой пластинке, введена для области, занятой пластинкой, потенциалы смещений: скалярный ф (для продольных волн) и векторный у (для поперечных волн), связанные с вектором смещения частиц u соотношением:

и = grad р + rot р (2)

У вектора смещения частиц u отлична от нуля только компонента по оси у, которую мы обозначим у. Потенциалы ф и у, описывающие соответственно продольные и поперечные волны, должны удовлетворять волновым уравнениям:

д2,

д2( д2ю 2

д2Ф , д2Ф , , 2 | л

где ki = ^ I---волновое число продольных волн, м-1;

•J А+2у.

кг = ( - волновое число поперечных волн, м-1; ю - круговая частота, рад/с.

Для этого случая решение уравнения (3) имеет вид:

Ф = А3ск цге1кх + ВаБк цге1кх;

(4)

ф = Dssh szeikx + Са ch szeikx, где As, Ba, Ca, Ds - коэффициенты амплитуды симметричных и антисимметричных волн;

k - волновое число, м-1;

q = ^к2 — kf - коэффициент волнового числа продольных волн;

s = ^к2 — kf-коэффициент волнового числа поперечных волн; z - координата вдоль оси z (перпендикулярная поверхности пластины); eikx - экспоненциальный множитель, описывающий распространение волны вдоль оси х.

Данные уравнения описывают две группы волн, каждая из которых удовлетворяет волновым уравнениям движения и граничным условиям, т.е. первая группа волн может распространяться в пластинке независимо от другой группы волн. Первая группа волн, отмеченная индексом s описывает волны, в которых движение происходит симметрично относительно плоскости z = 0 (т. е. в верхней и нижней половинах пластинки смещение U имеет одинаковые знаки, а W -противоположные). Вторая группа, отмеченная индексом а, описывает волны, в которых движение происходит антисимметрично относительно z = 0 (т. е. в верхней и нижней половинках пластинки смещение U имеет противоположные знаки, а смещение W - одинаковые). Волны первой группы называются симметричными волнами, волны второй группы - антисимметричными.

Рассматривая твердую абсолютно упругую пластинку толщиной 2d, погруженной в идеальную жидкость, в положительном направлении оси х распространяется плоская гармоническая волна частоты ш. Уравнение (4) для волновых потенциалов ф и щ, описывающих движение пластинки, должны удовлетворять уравнениям (3), а уравнения для потенциала ф в жидкости фж -аналогичному уравнению:

^ + ^ + = (5)

—

где кж = —- волновое число для волн в жидкости, м-1;

Сж

сж - скорость распространения волны в жидкости, м/с.

Наиболее критической с точки зрения контроля является зона ПС, находящаяся между зоной ребра и зоной наружной стенки элемента ТА (рисунок 2, поз. 3).

Так как аналитическое и экспериментальное исследование весьма трудоемко и ресурсозатратно, было проведено конечно-элементное моделирование при помощи COMSOL Multiphysics, а именно, модуля Elastic Waves, Time Explicit, предназначенного для создания и анализа моделей распространения упругих волн в различных средах и условиях, включая моделирования ультразвукового контроля для обнаружения дефектов в материалах и конструкциях.

Целью конечно-элементного моделирования является исследование и установление зависимостей изменения значений параметров сигнала в различных зонах акустического тракта от параметров положения ПЭП относительно конструктивных элементов ОК, а также при наличии дефектов типа «непропай» и «частичный непропай» различного размера (шириной от 20 до 50% от геометрического размера ширины ребра). В дальнейшем, под термином «ширина дефекта» понимается геометрический размер ширины отсутствующего припоя в ПС.

Входные данные для создания модели для конечно-элементного моделирования, представлены в таблице 1 и рисунке 3:

Таблица 1 - Входные данные для конечно-элементного моделирования

Параметр Значение

Частота УЗ волн, МГц 10

Размеры пьезопластины, мм 3 х 3

Размеры ПЭП, мм 5 х 7

Ширина ребра, мм 2,20

Ширина канавки, мм 2,40

Высота внутренней стенки, мм 2,00

Высота ребра/канавки, мм 5,40

Высота паяного соединения, мм 0,10

Высота наружной стенки, мм 2,00

Материал внутренней стенки Бронза

Скорость распространения продольной УЗ волны в бронзе, м/с 3530

Материал наружной стенки Никель

Скорость распространения продольной УЗ волны в никеле, м/с 5630

Материал припоя Серебро

Скорость распространения продольной УЗ волны в серебре, м/с 3600

Материал призмы Оргстекло

Скорость распространения УЗ волны в оргстекле, м/с 2550

УЗ волна представляет собой синусоидальное колебание с колоколообразной огибающей и описывается следующей функцией:

F(t) = sm(ut)^ е^-^ , (6)

где ю = 2nf;

f - частота УЗ волн; To - период УЗ волны.

Зоны расчёта описываются уравнением упругости (1).

Все компоненты смещения описываются дифференциальными уравнениями, которые представляют собой классическое волновое уравнение:

д2и о д2и _

--с2 — = 0

дг2 дх2

где с - скорость распространения УЗ волны в среде:

JX+2u.

--для продольных волн;

(7)

сг = - для поперечных волн.

1 - пьезоэлектрический преобразователь, 2 - внутренняя стенка, 3 - паяное

соединение, 4 - наружная стенка Рисунок 3 - 3D-модель геометрии расчётной области распространения УЗ волны

При размещении ПЭП со стороны внутренней стенки элемента ТА, распространение и трансформация УЗ волн происходит следующим образом (рисунок 4):

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Малый Валерий Валерьевич, 2024 год

Литература

1. Сергеев Д.С., Федоров A.B., Баранов A.B., Астрединова Н.В. Автоматизированный лазерно-ультразвуковой метод контроля качества паяных соединений сопел камер жидкостных ракетных двигателей // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. Т. 16. № 1. С. 139-149.

2. ГОСТ 17325-79. Пайка и лужение. Основные термины и определения: утвержден и введен в действие постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 11 октября 1979 г. N 3914: дата введения 1981-01-01. М.: Издательство стандартов, 1990. 22 с,

3. Кинжагулов И.Ю. Модель термооптического возбуждения ультразвуковых волн в паяных тонкостенных изделиях // Изв. вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54. № 7. С. 39-44.

4. Сергеев Д. С., Астрединова Н.В. Методика контроля качества паяных соединений камер ЖРД с применением метода лазерно-ультра-звуковой диагностики // Сборник трудов II Всероссийский конгресс молодых ученых. СПб: НИУ ИТМО, 2013. С, 67.

5. Костюхин A.C. Исследование возможности применения фазированных антенных решеток для ультразвукового контроля паяных соединений ЖРД // В мире неразрушающего контроля -2019. - Т. 22. - № 4. - С. 12-15.

6. Малый В.В., Костюхин A.C., Кинжагулов И.Ю. Разработка технологии неразрушающего контроля качества паяных соединений тепло-обменных аппаратов и определение принципов её автоматизации И Технико-технологические проблемы сервиса - 2022. - № 3(61). - С. 11-17.

Поступила 24.07.2023 г.

317

WÂ

ДИАГНОСТИКА И РЕМОНТ

УДК 620.179.16

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИНЦИПОВ ЕЁ АВТОМАТИЗАЦИИ

В.В. Малый1, А.С. Костюхин2, И.Ю. Кинжагулов3

Университет ИТМО, Россия, 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр-т, 49.

В данной статье рассматриваются вопросы контроля качества паяных соединений теплообменных аппаратов. Описаны возникающие дефекты, проанализированы существующие решения, выявлены достоинства и недостатки. Представлены решения основных вопросов, возникающих при создании автоматизированной установки.

Ключевые слова: неразрушающий контроль, ультразвуковой контроль, контроль паяных соединений, контроль теплообменных аппаратов, фазированная антенная решетка, автоматизированный неразрушающий контроль, создание автоматизированной установки.

DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY FOR NON-DESTRUCTIVE QUALITY CONTROL OF HEAT EXCHANGER BRAZED JOINTS AND DETERMINATION OF THE PRINCIPLES OF

ITS AUTOMATION

V.V. Malyy, A.S. Kostyukhin, I.Y. Kinzhagulov

ITMO University, Russia, 197101, St. Petersburg, Kronverksky Ave., 49.

This article discusscs the issues of quality control of soldered joints of heat exchangers. Defects that arise arc described, existing solutions are analyzed, advantages and disadvantages are identified. Solutions to the main issues that arise when creating an automated system are presented.

Keywords: non-destructive testing, ultrasonic testing, brazed joint testing, heat exchanger testing, phased antenna array, automated non-destructive testing, creation of an automated system.

Введение

Современные реалии контроля качества сложных объектов ставят все более высокие требования к методам и средствам их реализации. Повышение требований к достоверности результатов контроля обуславливает необходимость создания и внедрения автоматизированных комплексов неразрушающего контроля (НК), которые минимизируют влияние человеческого фактора (оператора). Одним из таких объектов является теплообменный аппарат (ТА), который представляет собой паяную ореб-ренную конструкцию двух пластин из разных металлов с фрезерованными на одной из них канавками. Ребра одной пластины соединяются с другой посредствам припоя. Одним из этапов является нанесение припоя на ребра одной пла-

стины и спаивание со второй пластиной. Процесс пайки ТА состоит из сложных многоэтапных операций, на каждой из которых возможно образование различного рода дефектов (неспай, непропай), влияющих на работоспособность как ТА в целом, так и его составных частей.

В настоящее время контроль качества ТА осуществляется на основе результатов гидравлических и огневых испытания. В случае наличия дефектов пайки в процессе испытаний ТА переходит в неработоспособное состояние и становится непригодной для дальнейшего использования по назначению. Одним из путей решения задачи обеспечения качества паяных соединений ТА является внедрение новых технологий НК, а также совершенствование уже используемых методов, средств и методик дефектоскопии и дефектометрии[1].

1 Малый Валерий Валерьевич - аспирант 2 года обучения, тел.: [phone]. e-mail banqvalera@mail. ru;

2Костюхин Александр Сергеевич — научный сотрудник научно-исследовательского центра технологий контроля качества ракетно-космической техники, тел.: [phone], e-mail: [e-mail];

3Кинжагулов Игорь Юрьевич - кандидат технических наук, преподаватель тел.: [phone], e-mail: [e-mail].

Описание задачи

ТА представляют собой геометрически сложную конструкцию с множеством различных внутренних полостей, что, в свою очередь обуславливает сложность технологии пайки, связанную с нанесением припоя и обеспечением стабильности величины гарантированного зазора между сопрягаемыми элементами. Наиболее остро стоит вопрос качества паяных соединений (ПС), так как из-за особенностей режимов работы ТА, а также из-за высоких нагрузок при эксплуатации, дефект может привести к выходу дорогостоящего ТА из строя, который по стоимости разработки и производства составляет 2040% стоимости изделия.

Объект контроля (ОК) имеет сложную оребренную внутреннюю структуру. Паяная оребренная конструкция ТА представляют собой две пластины из разных металлов с фрезерованными на одной из них канавками. Ребра одной пластины соединяются с другой посред-ствам припоя. Внутренняя структура ОК представлена на рисунке 1.

Основными дефектами ПС являются «непропай» и «неспай», а их наличие, в большинстве случаев, приводит к нарушениям теп-лообменных режимов в аппарате и как следствие к выходу изделия из строя.

Рисунок 1 - Впутренпяя структура ПС ТА; 1 -

внутренняя стенка, 2 — внешняя стенка, 3 — ребро, 4 - канавка

Согласно РОСТ 17325-79 [2], рассматриваемые в статье дефекты имеют определения:

- непропай - дефект паяного соединения, проявляющийся в частичном или полном незаполнении паяльного зазора припоем (рисунок 2.а);

- неспай - дефект паяного соединения, проявляющийся в отсутствии сцепления паяемого материала с материалом паяного слоя (рисунок 2.6).

а) б)

Рисунок 2 - Дефекты паяных соединений типа песплошпость: дефект типа «непропай» (а); дефект типа

«неспай»

Зачастую, качество ПС определяется гидравлическими испытаниями на прочность, пневматическими испытаниями на герметичность, а также огневыми испытаниями. Поскольку данные виды испытаний являются разрушающими, невозможно обеспечить целостность ТА в процессе его изготовления. Таким образом, остро стоит вопрос о создании технологий НК ПС ТА.

В настоящее время, существуют методики НК, позволяющие выявлять дефекты типа

«непропай» и «частичный непропай»[3, 4]. Проанализировав данные работы, было отмечено, что ультразвуковой эхо-импульсный метод является наиболее перспективным методом контроля качества ПС ТА. Также, проведя анализ текущих достижений в области неразрушаю-щего контроля паяных соединений, был сделан вывод, что на данный момент существуют методы и средства контроля, позволяющие обнаруживать дефекты типа «непропай» и «частичный непропай». Однако, данные методики не

позволяют гарантированно выявлять дефект типа «неепай» в ПС ТА, что существенно увеличивает риски отказа всего изделия при воздействии эксплуатационных нагрузок. Предполагается, что для обеспечения выявления дефектов типа «неспай» необходимо использовать комбинирование эхо-импульсного и теневого метода ультразвукового контроля.

Ультразвуковой эхо-метод основан на возбуждении упругих колебаний в объеме контролируемого изделия и регистрации отраженного от дефекта сигнала. Информативными параметрами при применении эхо-импульсного метода являются амплитуда и время прихода

эхо-сигнала. В бездефектном ПС ультразвуковой сигнал проходит через границу раздела двух акустически разнородных сред, что обуславливает возникновение акустического импеданса (отражения) на данной границе. Величина импеданса существенно зависит от сплошности диффузионной границы. Наличие в ПС дефекта типа «непропай» приведёт к незначительному увеличению акустического импеданса. При многократном прохождении диффузионного раздела сред ультразвуковой волной заметно большее её затухание при наличии «неспая», по сравнению с однородным соединением.

Положение 1 Положение2

ЗИ- Зондирующий импульс Н • Сигнал от несплошности Д - До нный сигнал

Положение 1

Д

Положение 2

Рисунок 3 — Схема распространения ультразвуковых колебаний при эхо-методе

Ультразвуковой теневой метод основан на генерации ультразвуковых колебаний пьезоэлектрическим преобразователем, работающим в режиме излучения, и приеме прошедшего через объект контроля сигнала приемным преобразователем. Признаком обнаружения дефекта, при использовании данного метода, является

ослабление прошедшего сигнала, вызванного экранированием части ультразвукового пучка несплошностью. В ПС, содержащим дефекты типа «непропай» и «неспай», амплитуда прошедшего сигнала уменьшается, по сравнению с прошедшим сигналом на бездефектном ПС.

Рисунок 4 - Схема распространения ультразвуковых колебаний при теневом методе:

1 - излучатель, 2 - приемник, 3 - объект контроля, 4 - несплошность

Для упрощения интерпретации получен- фектоскоп с фазированными антенными решетных результатов и визуализации контролируе- ками (ФАР), реализующим ультразвуковой эхо-мого сечения ТА, предлагается использовать де- метод.

Главное преимущество технологии ФАР перед одноэлементным пьезоэлектрическим преобразователем (ПЭП) заключается в том, что управление лучом и его фокусировка осуществляется с помощью одного преобразователя содержащим множество пьезоэлементов. Последовательное возбуждение пьезоэлементов образующих активную апертуру ФАР позволяет задавать фокальные законы для контролируемого сечения объекта, тем самым добиваясь наилучшей чувствительности на определенной глубине. Секторное сканирование, используется

для картографирования объектов, что значительно упрощает контроль объектов со сложной геометрией, таких как ТА. Большая, чем у одноэлементных ультразвуковых преобразователей апертура позволяет при установке ФАР на поверхность изделия регистрировать на экране дефектоскопа сигналы, соответствующие внутренней структуре объекта контроля под датчиком. Типовой Б-скан с ПС с непропаем представлен на рисунке 5.

Отражение ультразвуковой волны от непропая

Отражение ультразбукодой волны от бпадинь/

ц ■ '|Т|И1 1-г: ■■'Л' ..............

»«-¿р с-' «"Ш

% • л

Рисунок 5 - Схема распространения ультразвуковых волн (УЗВ) на участке ПС ТА с непропаем при использовании ФАР

Реализация схем сканирования эхо-импульсным и теневым методом ввиду сложности внутренней оребренной структуры ОК накладывает значительные ограничения на скорость и точность результатов ручного контроля. Проведение сплошного ручного контроля ТА крайне трудоемко, что в свою очередь повышает вероятность ошибки оператора при проведении и анализе результатов сканирования.

Повышение скорости и достоверности результатов контроля возможно за счет автоматизации процесса сканирования. Проведение автоматизированных измерений с точки зрения механики заключается в перемещении преобразователя по поверхности объекта контроля с постоянной скоростью по заданной траектории. Поскольку, для ввода ультразвуковых волн в ОК используется иммерсионная жидкость, требуется соблюдать постоянный по величине зазор между ПЭП и поверхностью ОК.

Перед проведением контроля фактическая геометрия профиля ОК неизвестна, а источником исходных данных является ограниченный дискретный набор численных значений радиуса кривизны сопла в некоторых точках, удаленных от критического сечения. Для проведения сканирования всей поверхности ОК этих данных недостаточно, поэтому необходимо вычислить значения координат точек в промежутках между известными точками. Такая задача называется аппроксимацией, а ее результатом является функция, описывающая геометрический профиль ОК. Результаты различных методов аппроксимации представлены на рисунке 6.

Немаловажным вопросом является выбор схемы сканирования ТА. Сложность выбора схемы сканирования заключается в том, что в некоторых схемах сканирования сложная траектория движения датчика может привести к

накапливанию погрешности результатов измерений, тем самым это приводит к снижению достоверности результатов контроля.

Разработка технологии неразрушающего контроля качества паяных соединений.. -------------------------------т

Исходные данные од объекте контроля

I

Средстбо измерения

7

Untxcfyaform

ffonpoucmSo o&cneism шустжто котт

Система позиционирования

Система обратной связи

Блок сбора и

сЫотки информации

УП

Средстбо автоматизации Система автоматизированного контроля

Рисунок 9 Функциональная схема автоматизированной ультразвуковой установки

Так же в результате анализа установлено, что, не смотря на большое разнообразие автоматизированных систем контроля качества, все они направлены на контроль изделий цилиндрической формы (трубы различных диаметров), Контроль изделий плоскопараллельной формы (листовой прокат) осуществляется, как правило, либо ручным способом контроля, либо в механизированном режиме с применение разного рода оснасток и приспособлений. Автоматизированный контроль изделий сложной геометрической формы в настоящий момент практически не осуществляется из-за отсутствия изделий такой формы в областях народного хозяйства. Тем самым задача по автоматизации неразрушающего контроля качества паяных соединений ТА является актуальной.

Выводы

Проведен анализ методов и средств ультразвуковой дефектоскопии, в части их применимости для выявления дефектов типа «неспай» и «непропай» в паяных соединениях оребрен-ных конструкций теплообменных аппаратов. Для повышения вероятности обнаружения дефектов в паяных соединениях, принято решение использовать комбинированный эхо-импульсный и теневой методы. Для упрощения интерпретации и визуализации результатов сканирования предлагается использование технологии ФАР для реализации эхо-метода. Поскольку реализация схем контроля ТА требует значительных временных затрат при ручном сканировании, для повышения скорости и достоверности

результатов предлагается автоматизировать процесс контроля. Рассмотрены основные вопросы, возникающие при создании автоматизированных установок неразрушающего контроля. В результате анализа существующих автоматизированных установок, были определены основные принципы для автоматизации технологии контроля.

Литература

1. Сергеев Д.С., Федоров A.B., Баринов A.B., Астрс-динова Н.В. Автоматизированный лазерно-ультра-звуковой метод контроля качества паяных соединений сопел камер жидкостных ракетных двигателей // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. Т. 16, № 1. С. 139149.

2. ГОСТ 17325-79. Пайка и лужение. Основные термины и определения: утвержден и введен в действие постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 11 октября 1979 г. N 3914: дата введения 1981-01-01. М.: Издательство стандартов, 1990.-22 с.

3. ТСинжагулов И.Ю. Модель термооптического возбуждения ультразвуковых волн в паяных тонкостенных изделиях // Изв. вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54. № 7. С. 39-44,

4. Сергеев, Д. С. Методика контроля качества паяных соединений камер ЖРД с применением метода лазерно-ультразвуковой диагностики / Д. С. Сергеев, Н. В. Астрединова // Сборник трудов 11 Всероссийский конгресс молодых ученых. - СПб: НИУ ИТМО, 2013.-С. 67.