УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПЛОТНОСТИ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ВЫСОКОНАПОЛНЕННЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ОКТОГЕНА Российский патент 2013 года по МПК G01N29/07 

Изобретение относится к области диагностики неразрушающими методами деталей и конструкций и может быть использовано для прецизионного определения плотности в процессе эксплуатации изделий, составной частью которых являются контролируемые детали из высоконаполненных композитных материалов на основе октогена, в горно-рудной и военной промышленности, а также в строительной индустрии.

Жестким требованиям точности определения плотности деталей из высоконаполненных композитных материалов на основе октогена удовлетворяет лабораторный метод гидростатического взвешивания («Взрывчатые вещества». Учебное издание. ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ». г.Саров, 2007, том 2, стр.345), погрешность которого зависит от массы детали и не превышает 0,25-0,30%.

Известен способ определения плотности деталей из высоконаполненных композитных материалов, основанный на измерении ослабления потока γ-квантов, прошедшего через контролируемую зону детали с известной средней толщиной («Взрывчатые вещества». Учебное издание. ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ». г.Саров, 2007, том 2, стр.262). Высокая точность этого способа, сопоставимая с методом гидростатического взвешивания, проистекает из жесткой зависимости между плотностью материала и ослаблением потока γ-квантов. Однако этот метод обладает рядом существенных недостатков:

- высокая трудоемкость и длительность испытаний;

- сложность методики и используемого оборудования;

- повышенная опасность и экологические проблемы, связанные с применением радиоактивных источников;

- невозможность проведения испытания при одностороннем доступе к детали.

Более простыми являются ультразвуковые методы определения плотности.

Плотность композитных материалов определяется в основном физическими характеристиками входящих в материал компонентов, их соотношением по объему или массе, структурой армирования, пористостью, степенью отверждения (полимеризации) матрицы. Этими факторами определяется и основная акустическая характеристика материала - скорость распространения ультразвуковых волн, называемая параметром неразрушающего контроля, т.к. этот параметр может быть определен в процессе контроля свойств детали.

Однако связь между скоростью ультразвука и физическими характеристиками материала, в частности плотностью, не является однопараметрической, поэтому плотность контролируемых деталей определяют по предварительно установленной корреляционной (статистической) зависимости от параметра неразрушающего контроля, причем оценка плотности по этим зависимостям, как правило, недостаточно надежна. Низкое значение коэффициента корреляции (r) связи плотность - скорость ультразвука для подавляющего большинства материалов ограничивает применение ультразвукового метода в практике контроля плотности композитов.

Например, метод определения плотности по скорости распространения продольных колебаний в трех направлениях, включенный в ОСТ 5.9102-72 «Стеклопластики полиэфирные. Контроль качества материала судовых конструкций без их разрушения», дает погрешность оценки плотности порядка 5%.

Широкое распространение при контроле металлов нашел способ определения структуры, упругих свойств или состава материалов по изменению величины поглощения ультразвуковых волн либо по изменению скорости их распространения в исследуемом теле (а.с. СССР 77708, опубл. 30.11.49).

Предложенный А.К. Бровцыным и Г.С.Чернышевой способ определения влажности и плотности глин (журнал «Дефектоскопия», 1999 год, №10, стр.56) позволяет определять указанные параметры на основании закономерностей распространения ультразвуковых волн.

Основным недостатком указанных способов является низкая точность измерений (единицы процентов).

Известен также способ определения плотности древесных материалов (А.С. №678391, М. Кл.² G01N 9/00, опубл. 05.08.79, Бюл. №29) с высоким коэффициентом корреляции r=0,97, в котором определяются скорости распространения ультразвуковых волн в направлениях трех координатных осей, а плотность определяется по формуле:

ρ=0,23·(V_a+V_t+V_r)/3+2,

где ρ - плотность материала;

V_a - скорость распространения волны по оси ординат;

V_t - скорость распространения волны по оси абсцисс;

V_r - скорость распространения волны по оси апликат.

Но и этот способ имеет погрешность на уровне 3% и, кроме того, при его реализации нужен доступ к детали с трех сторон.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании простого в реализации высокоточного способа контроля плотности деталей из высоконаполненных композитных материалов на основе октогена в процессе эксплуатации.

Технические результаты, достигаемые при осуществлении заявляемого изобретения, заключаются в повышении точности определения плотности деталей из высоконаполненных композитных материалов на основе октогена и обеспечении возможности в любой заданный период эксплуатации проведения контроля деталей различного размера и конфигурации при одностороннем доступе, а также через слои других материалов с применением типовых промышленных приборов, в том числе в полевых условиях.

Это достигается тем, что в ультразвуковом способе контроля плотности в процессе эксплуатации деталей из высоконаполненных композитных материалов на основе октогена возбуждают ультразвуковые волны в заданной зоне исследуемой детали с известной начальной плотностью ρ₀, измеряют время их распространения, повторно возбуждают ультразвуковые волны в этой же зоне в процессе эксплуатации, измеряют время их распространения, определяют относительное изменение времени распространения δt и рассчитывают плотность ρ исследуемой детали по следующему уравнению:

ρ=ρ₀·[1+(a·δt+b)],

где а и b - эмпирические коэффициенты.

Сущность заявляемого способа основана на определении плотности деталей из высоконаполненных композитов на основе октогена с помощью установленной корреляционной связи между относительным изменением плотности - δρ=(ρ-ρ₀)/ρ₀ и относительным изменением времени распространения ультразвуковых волн - δt=(t-t₀)/t₀:

δρ=a·δt+b.

Подставляя эту зависимость в выражение

ρ=ρ₀·(1+δρ),

получаем искомое уравнение:

ρ=ρ₀·[1+(a·δt+b)].

Для установления корреляционной связи (δρ=a·δt+b) при контроле деталей после различных сроков и температур выдержки, имитирующих возможные воздействия в процессе эксплуатации, была проведена совместная обработка результатов определения изменения плотности деталей с помощью гидростатического метода и результатов определения изменения времени прохождения ультразвуковых волн с помощью дефектоскопа А 1214 с последующим расчетом относительных величин δρ и δt. В результате было получено следующее корреляционное уравнение:

δρ=-0,0495·δt-0,0003 (коэффициент корреляции r~0,94).

Проверка корреляционного уравнения проведена путем расчета плотности для выборки деталей из того же материала, в том числе и других типоразмеров, выдержанных в аналогичных условиях, по уравнению:

ρ=ρ₀·[1+(-0,0495·δt-0,0003)].

Погрешность определения значений искомой плотности, рассчитанной для выборки контрольных деталей по данному уравнению, не превысила ±0,3%.

Ввиду малости величины коэффициента b в некоторых случаях им можно пренебречь.

Заявляемый способ реализуется следующим образом:

- в заданной зоне исследуемой детали с известной начальной плотностью ρ₀, определенной ранее, например, гидростатическим способом, возбуждают ультразвуковые волны частотой 1,2÷2,5 МГц и измеряют время их распространения t₀;

- в процессе эксплуатации, например при проведении регламентных работ, повторно возбуждают ультразвуковые волны в этой же зоне детали и измеряют время их распространения t;

- определяют относительное изменение времени распространения ультразвуковых волн - δt=(t-t₀)/t₀;

- рассчитывают плотность ρ исследуемой детали по следующему уравнению:

ρ=ρ₀·[1+(-0,0495·δt-0,0003)].

Возбуждение ультразвуковых волн и измерение времени их распространения осуществляют с помощью промышленного дефектоскопа, например А 1214.

Реализация заявляемого способа показала достижение высокой точности, быстроты и простоты определения плотности деталей из композитного материала на основе октогена в процессе эксплуатации, который может быть использован непосредственно в конструкциях без их разборки и разрушения, что приводит в конечном счете к повышению надежности изделий, в состав которых входят контролируемые детали.

Использование: для ультразвукового контроля плотности в процессе эксплуатации деталей из высоконаполненных композитных материалов на основе октогена. Сущность: заключается в том, что возбуждают ультразвуковые волны в заданной зоне исследуемой детали с известной начальной плотностью ρ₀, измеряют время их распространения, повторно возбуждают ультразвуковые волны в этой же зоне в процессе эксплуатации, измеряют время их распространения, определяют относительное изменение времени распространения δt и рассчитывают плотность ρ исследуемой детали по следующему уравнению: ρ=ρ₀·[1+(a·δt+b)], где а и b - эмпирические коэффициенты. Технический результат: повышение точности определения плотности деталей из высоконаполненных композитных материалов на основе октогена и обеспечение возможности в любой заданный период эксплуатации проведения контроля деталей различного размера и конфигурации при одностороннем доступе, а также через слои других материалов с применением типовых промышленных приборов, в том числе в полевых условиях.

Ультразвуковой способ контроля плотности в процессе эксплуатации деталей из высоконаполненных композитных материалов на основе октогена, заключающийся в том, что возбуждают ультразвуковые волны в заданной зоне исследуемой детали с известной начальной плотностью ρ₀, измеряют время их распространения, повторно возбуждают ультразвуковые волны в этой же зоне в процессе эксплуатации, измеряют время их распространения, определяют относительное изменение времени распространения δt и рассчитывают плотность ρ исследуемой детали по следующему уравнению: ρ=ρ₀·[1+(a·δt+b)], где а и b - эмпирические коэффициенты.