КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 25-29-01091
НазваниеИсследование и развитие ультразвуковых (контактного и электромагнитно-акустического) способов контроля толщины стальных изделий при температурах до 450 °C
Руководитель Михайлов Алексей Вадимович, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук , Свердловская обл
Конкурс №118 - Конкурс на получение грантов РНФ по мероприятию «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» приоритетного направления деятельности Российского научного фонда «Поддержка проведения научных исследований и развития научных коллективов, занимающих лидирующие позиции в определенных областях науки»
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-603 - Надежность и отказоустойчивость технических систем. Диагностика технического состояния и испытания
Ключевые слова ультразвуковой контроль, неразрушающий контроль, высокие температуры, электромагнитно-акустический способ, ЭМА-преобразователь, контактный ультразвук, волновод, измерение толщины, металлургия, ванна горячего цинкования, температуростойкие датчики, акустическая система, техническая диагностика, температурная устойчивость, промышленная безопасность
Код ГРНТИ59.45.29
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В условиях современной промышленности — металлургии, энергетики, нефтехимии — возрастает потребность в достоверных средствах диагностики состояния металлических конструкций, эксплуатируемых при высоких температурах. Одной из наиболее актуальных задач является неразрушающий контроль остаточной толщины стенок трубопроводов, резервуаров и других элементов оборудования при температуре выше 300 °C, без необходимости остановки технологических процессов.
Особую практическую значимость данная задача приобретает для оборудования, эксплуатируемого в агрессивных средах, в частности — ванн горячего цинкования, где температура расплава цинка достигает 450 °C. Такие ванны изготавливаются из легированных сталей, подверженных высокотемпературной коррозии и эрозии, а доступ к наружной поверхности часто затруднен конструктивно. Проведение надежного ультразвукового контроля толщины непосредственно в процессе эксплуатации ванны является критически важным для предотвращения аварий и продления ресурса оборудования.
Существующие на сегодняшний день контактные ультразвуковые преобразователи позволяют контролировать стальные изделия при температурах выше 300 °C, однако с рядом существенных ограничений, связанных с деградацией пьезокристалла акустического преобразователя, искажениями сигналов, необходимостью постоянного охлаждения преобразователей и невозможностью длительной работы без остановки технологического процесса. Как правило, преобразователь не погружается в нагретую среду полностью, а контактирует с изделием лишь одной своей поверхностью — при этом контакт кратковременный или осуществляется с помощью активного охлаждения. Такой подход снижает стабильность и точность контроля и не всегда применим в условиях реальной эксплуатации.
Цель проекта — разработка и сравнительное исследование двух подходов к высокотемпературному ультразвуковому контролю толщины стальных изделий при температурах до 450 °C, способных работать в условиях, при которых преобразователь или его рабочий элемент находятся в нагретой среде в течение длительного времени:
- Контактный ультразвуковой способ, реализуемый с помощью преобразователей, размещенных вне зоны нагрева, которые возбуждают и принимают сигналы через специально разработанные волноводы, контактирующие с внутренней поверхностью конструкции. Предполагается создание новой конструкции волноводов, способных выдерживать тепловую нагрузку и сохранять эффективность передачи сигнала при высоких температурах.
- Бесконтактный электромагнитно-акустический (ЭМА) способ, не требующий физического контакта с объектом. ЭМА-преобразователи особенно перспективны для высокотемпературного контроля, поскольку обеспечивают генерацию и прием ультразвуковых волн в проводящих материалах за счет электромагнитного взаимодействия, при этом сохраняют работоспособность, находясь длительное время в нагретой среде.
Научная новизна проекта заключается в:
– разработке и исследовании волноводов нового типа для высокотемпературного контактного ультразвукового контроля, способных эффективно передавать ультразвуковые импульсы в условиях температуры до 450 °C;
– адаптации и оптимизации ЭМА-преобразователей и методов обработки сигналов для измерения толщины металлических изделий в условиях воздействия высоких температур;
– проведении сравнительного анализа эффективности, точности и стабильности двух подходов (контактного и бесконтактного) в промышленных условиях, в том числе на модели ванны горячего цинкования.
Проект охватывает все стадии исследования — от численного моделирования до лабораторных и натурных испытаний. Будут разработаны экспериментальный стенд, включающий имитацию условий горячего цинкования, что обеспечит практическую верификацию предложенных решений.
Результаты проекта позволят расширить температурный диапазон ультразвукового неразрушающего контроля, повысят достоверность измерений и технологическую гибкость диагностических систем.
Ожидаемые результаты
В рамках выполнения проекта планируется получить следующие научные и практические результаты:
1. Разработка новых подходов к высокотемпературному ультразвуковому контролю толщины стальных изделий при температурах до 450 °C, включая как контактные способы с использованием волноводов, так и бесконтактные способы на основе электромагнитно-акустического (ЭМА) преобразования.
2. Создание экспериментальных образцов:
- волноводов и контактных элементов, обеспечивающих эффективную передачу ультразвукового сигнала при длительном воздействии высоких температур;
- ЭМА-преобразователей, адаптированных к условиям ограниченного доступа и работы находясь длительное время в нагретой среде.
3. Разработка моделей распространения ультразвуковых волн и теплофизических процессов, определяющих стабильность измерений и долговечность элементов системы контроля в условиях высоких температур.
4. Создание лабораторных прототипов измерительных систем, обеспечивающих контроль толщины изделий при температуре до 450 °C в реальном времени.
5. Сравнительный анализ двух подходов (контактного и ЭМА) по ключевым характеристикам: чувствительности, стабильности измерений, технологической применимости, стоимости и ресурсоемкости внедрения.
Научная значимость
Результаты проекта позволят расширить границы применимости ультразвуковых способов контроля, преодолев температурный барьер, ограничивавший ранее использование таких технологий. Разработка новых конструктивных решений (в том числе волноводов и преобразователей) и методик обработки сигналов обеспечит вклад в развитие физики ультразвука в твердых телах, диагностики в экстремальных условиях и методов физико-технического мониторинга. Это обеспечит соответствие результатов современному мировому уровню исследований в области неразрушающего контроля, особенно в направлении высокотемпературной диагностики.
Прикладная и общественная значимость
Ожидаемые результаты могут быть практически использованы в следующих направлениях:
– в металлургической промышленности, в том числе для диагностики ванн горячего цинкования, печей, трубопроводов и резервуаров, работающих при высоких температурах;
– в энергетике, для мониторинга состояния труб котлов, теплообменников и другого оборудования ТЭЦ и АЭС;
– в нефтехимии, где агрессивные среды и высокие температуры требуют надежного контроля остаточного ресурса оборудования;
– в создании новой продукции, включая системы технической диагностики нового поколения, способных работать в условиях повышенных температур, без остановки оборудования.
Результаты проекта будут способствовать повышению промышленной безопасности, снижению аварийности и затрат на ремонт, увеличению ресурса оборудования и оптимизации графика технического обслуживания. Кроме того, они могут быть использованы в образовательной и исследовательской деятельности, а также при подготовке специалистов в области неразрушающего контроля, материаловедения и приборостроения.