Тема: ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ МЕТАЛЛОВ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ СКВАЖИН

Актуальность работы
Наличие дефектов в металлах и сплавах приводит к ухудшению их коррозионной стойкости и сокращению сроков эксплуатации металлических конструкций. Поэтому, регулярный мониторинг для своевременного обнаружения дефектов позволят предотвратить не только несчастные случаи на производстве, но и техногенные катастрофы, сохранить жизнь и здоровье обслуживающего персонала. Наиболее трудоемким процессом является неразрушающий контроль металлических изделий для геодезических скважин, особенно если он проводится на работающем оборудовании, поэтому не все методы неразрушающего контроля пригодны для проверки используемых изделий. Наиболее перспективным методом можно считать термоэлектрический, который позволяет проводить неразрушающий экспресс-контроль металлов и сплавов как в процессе производства так и в процессе эксплуатации. Однако, серийно выпускаемые в настоящее время термоэлектрические дефектоскопы не обладают высокой надежностью и воспроизводимостью результатов контроля. Это обусловлено наличием переходного сопротивления при контакте электрода с образцом, изменением температуры горячего электрода в процессе контроля, зависимостью термоЭДС от разности температур между горячим и холодным электродом, площади контакта горячего электрода с образцами и т. д. Эти проблемы термоэлектрического контроля отражены в работах K. Uchida et. al., Hu and P.B. Nagy, Лухвич А. А. и Шарандо В.И.
Кроме того, анализ литературы показал, что до сих пор не проводилось исследований электрических характеристик источников термоЭДС.
При производстве геодезического оборудования скважин наиболее часто используются две марки стали: сталь 40Х и сталь 35ХГСА, из которых изготавливаются различные изделия: шестерни, плунжеры, штоки, коленчатые и кулачковые валы и другие детали повышенной прочности. Эти стали представляют собой легированную структуру, которая содержит карбиды, и которые имеют собственные термоэлектрические свойства. Поэтому при термоэлектрическом контроле подобных структур конечный результат будет зависеть от эквивалентной термоЭДС.
Цель диссертационной работы: исследовать электрические
характеристики эквивалентной термоЭДС, получаемой в результате многоточечного контакта электрода с тестируемым образцом при неразрушающем экспресс-контроле легированных сталей для создания компактного дефектоскопа.
Достижение поставленных целей требует решения следующих основных
задач:
1. Разработать математическую модель для расчета эквивалентного источника термоЭДС, получаемую при многоточечном контакте электродов с контролируемым образцом.
2. Провести исследования электрических характеристик различных типов термоэлектрических источников ЭДС.
3. Определить степень влияния на эквивалентную термоЭДС, получаемую при многоточечном контакте электродов с контролируемым образцом, различных источников термоЭДС.
4. Изучить термоэлектрические свойства легированных сталей 35ХГСА и 40Х.
5. Разработать макет устройства для термоэлектрического контроля легированных сталей и провести его испытания.
Научная новизна работы. По результатам работы были получены следующие новые научные знания:
1. Разработана модель для исследования электрических характеристик эквивалентного источника термоЭДС при параллельном соединении нескольких источников термоЭДС, возникающих при многоточечном контакте электрода с контролируемым образцом на основе метода наложения.
2. Разработана экспериментальная установка для исследования характеристик источников термоЭДС, позволяющая проводить исследования в широком диапазоне температур.
3. Исследованы электрические характеристики различных источников термоЭДС и эквивалентного источника термоЭДС при параллельном соединении различных типов источников термоЭДС.
4. Получены аналитические выражения на основе полинома Ньютона четвертой степени, позволяющие с погрешностью не более 6% описать нагрузочную характеристику источника термоЭДС в диапазоне температур от 100 до 300 градусов Цельсия.
5. Выявлено влияние сопротивления нагрузки на электрические характеристики термоэлектрического источника.
Практическое значение:
1. Полученные аналитические выражения для определения взаимосвязи между термоЭДС и сопротивлением нагрузки в предлагаемой модели могут быть использованы для определения влияния неоднородности и шероховатости поверхности металлов при термоэлектрическом контроле металлов.
2. Предлагаемый метод термоэлектрического контроля качества поверхностного слоя металла позволяет повысить достоверность и повторяемость результатов контроля.
Основные положения, подлежащие защите:
1. Модель, позволяющая определить характеристики эквивалентного источника термоЭДС при параллельном соединении различных типов источников термоЭДС.
2. Аналитические выражения на основе полинома Ньютона четвертой степени позволяют с погрешностью не более 6% описать нагрузочную характеристику источника термоЭДС в диапазоне температур от 100 до 300 градусов Цельсия.
3. При контроле легированных сталей с большим содержанием карбидной фазы, обладающих индивидуальными термоэлектрическими свойствами, необходимо обеспечить контакт со всеми типами источников термоЭДС. При этом наибольшее влияние на эквивалентную термоЭДС имеет источник с наименьшим внутренним сопротивлением.
Личный вклад автора:
Участие в постановке задач, разработка модели для расчета эквивалентного источника термоЭДС при многоточечном контакте, подготовке экспериментальной установки для исследования электрических свойств термоэлектрического источника энергии, исследовании характеристик разных типов источников термоЭДС, исследовании характеристик эквивалентной термоЭДС, получаемой при параллельном соединении различных их типов, и получении аналитических выражений для описания нагрузочной характеристики источника термоЭДС.
Апробация работы и публикации
Материалы, включенные в диссертацию, докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
• Инженерия для освоения космоса IV Всероссийского молодежного
Форума с международным участием, 12-14 апреля 2016 г., Национальный
исследовательский Томский политехнический университет, Томск.
• VII Научно - практическая конференция «Информационно - измерительная техника и технологии» с международным участием, 25-28 мая 2016г., Томский государственный университет, Томск.
• 2016 International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON 2016; National Research University "Higher School of Economics", 12 May 2016, Москва.
• Информационно-измерительная техника и технологии: VII научнопрактической конференции, 25-28 мая 2016 г., Томский политехнический
университет, Томск.
• Неразрушающий контроль: VI Всероссийской научно-практической
конференции «Неразрушающий контроль: электронное приборостроение,
технологии, безопасность». 23- 27 мая 2016 г., Томский политехнический
университет, Томск.
• Международная конференция «Когнитивная робототехника», 7-10 декабря 2016 г., Томский государственный университет, Томск.
• IX ежегодная студенческая научно-практическая конференция «Приборостроение и информационные технологии», 8 декабря 2016 г. ОНИИП, Омск.
• V International Forum for Young Scientists “Space Engineering,” Томский политехнический университет, Томск.
• Международная IEEE-сибирская конференция по управлению и связи (SIBCON-2017), 29-30 июня 2017 г., Астана, Республика Казахстан.
• Всероссийской молодежной научной школы по инновациям в неразрушающем контроле SibTest, 27-30 июня 2017г., Томский политехнический университет, Томск.
• II Международная конференция школьников, студентов, аспирантов и молодых ученых, 08 - 12 октября 2013 г., Томский политехнический университет, Томск.
• 11th International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems, MEACS 2017; Tomsk; Russian Federation; 4 December 2017 through 6 December 2017.
• Научная сессия ТУСУР-2018: материалы Международной науч- но- технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 1618 мая 2018 г
• Электронные и электромеханические системы и устройства: тез. докл. Науч.-техн. конф. молодых специалистов (Томск, 12-13 апр. 2018г.) / АО «НПЦ Полюс».
Публикации. Основные результаты диссертационных исследований опубликованы в 15 научных работах, из них работ опубликованных в рецензируемых журналах (из перечня ВАК) - 2, индексируемых в базах Scopus и Web of science - 7, в материалах конференций опубликовано - 6 работ, список которых приведен в конце диссертации.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения. Объем диссертации составляет 139 страниц, 76 рисунков и 7 таблиц. Список использованных источников содержит 130 наименований.
Введение показывает актуальность работы, сформулированы цели и задачи работы, ее научную новизну и практическое значение, а также положения, выдвигаемые для защиты.
В первой главе приведены основные сведения о методах контроля металлов и о термоэлектродвижущей силе, причинах ее возникновения. Описаны явления Зеебека, Томсона и Пельтье. Кроме того, представлен обзор приборов и методов контроля термоЭДС. Оценено влияние электрических и тепловых контактных сопротивлений на результат контроля. Рассмотрены особенности контактного соединения электродов с контролируемым образцом при ручном контроле. Выявлены недостатки термоэлектрического метода контроля при использовании точечного контакта электрода с контролируемым образцом. На основе проведенного анализа сделан выбор в пользу дифференциального термоэлектрического метода контроля.
Во второй главе представлены результаты экспериментальных исследований электрических характеристик нескольких типов источников термоЭДС. Получено аналитическое выражение для описания нагрузочной характеристики источника термоЭДС на основе полинома Лагранжа четвертой степени. Рассмотрена методика расчета эквивалентного источника термоЭДС, который состоит из нескольких соединенных параллельно индивидуальных источников термоЭДС, при многоточечном контакте электрода с контролируемым образцом, основанная на методе наложения. На основе метода наложения разработана математическая модель с использованием пакета прикладных программ LabView. Проведена верификация модели на основе экспериментальных данных, полученных в предыдущем разделе. На основе разработанной модели проведены исследования характеристик эквивалентного источника термоЭДС при различных вариациях параметров и количества индивидуальных источников термоЭДС. Показана необходимость многоточечного контакта электрода с контролируемым образцом при контроле легированных сталей.
В третьей главе представлена техническая реализация результатов исследования. В разделе 3.1 описывается экспериментальная установка, которая позволяет проводить практические исследования электрических характеристик различных типов источников термоЭДС, а также их комбинации при параллельном соединении. В разделе 3.2 дано описание устройства контроля металлов на основе дифференциального термоэлектрического метода. В разделе 3.3 представлены результаты экспериментальных исследований.
Выводы по работе выполняются в конце каждой главы.
В заключении отражены основные результаты, полученные в диссертации.

Купить

В диссертации сформулированы и обоснованы основные принципы реализации термоэлектрического дефектоскопа на основе дифференциального датчика с многоточечным контактом. Разработана математическая модель для расчета эквивалентного источника, получаемого при параллельном соединении нескольких источников термоЭДС, с использованием метода наложения. Проведены теоретические исследования электрических характеристик эквивалентного источника термоЭДС при различных комбинациях индивидуальных источников термоЭДС. Показано, что для получения
1. Проведены теоретические и экспериментальные исследования электрических характеристик различных источников термоЭДС. Выявлено влияние сопротивления нагрузки на внутреннее сопротивление и мощность источника термоЭДС.
2. Предложена методика расчета эквивалентного источника при параллельном соединении источников термоЭДС методом наложения.
3. Разработана модель для исследования электрических характеристик эквивалентного источника терморЭДС при параллельном соединении одиночных источников термоЭДС, возникающих при плоскостном контакте электрода с контролируемым образцом на основе метода наложения.
4. Разработана экспериментальная установка для исследования характеристик источников термоЭДС, позволяющая проводить исследования в широком диапазоне температур.
4. Исследованы электрические характеристики различных источников термоЭДС и эквивалентного источника термоЭДС при параллельном соединении различных типов источников термоЭДС.
4. Получены аналитические выражения на основе полинома Ньютона четвертой степени, позволяющие с погрешностью не более 6% описать нагрузочную характеристику источника термоЭДС в диапазоне температур от 100 до 300 градусов Цельсия
5. Выявлено влияние сопротивления нагрузки на электрические характеристики термоэлектрического источника.
6. Разработан термоэлектрический дефектоскопя «Thermo Fitness Testing», который нашел широкое применение для входного контроля марок сталей, контроля качества термообработки, контроля глубины обезуглероженного слоя и экспресс-контроля пластической деформации.

Купить