Ультразвук в дефектоскопии

Ультразвуковая дефектоскопия относится к неразрушающим методам контроля.

Звуком называют упругие колебания мельчайших частиц среды около положения своего равновесия, происходящие с частотой от 16 Гц до 20000 Гц. Частоты 16 и 20000 Гц считают пределами слышимости звуков человеческим ухом. Упругие колебания с частотой более 20000 Гц называют ультразвуком.

Ультразвуковой (УЗ) волной называется процесс распространения упругих колебаний ультразвуковой частоты в материальной среде.

Физические основы ультразвуковой дефектоскопии.

Ультразвуковая дефектоскопия основана на явлениях, происходящих на границе раздела двух сред, имеющих разные акустические сопротивления.

В общем случае на границе раздела могут происходить три явления: отражение, преломление и трансформация волн.

Отражением называют изменение направления УЗ волны на границе раздела, при котором волна не переходит в другую среду.

Преломлением называют изменение направления УЗ волны на границе раздела, при котором волна переходит в другую среду.

Трансформацией называют преобразование волн одного типа в волны другого типа, происходящее на границе раздела двух сред.

Чем больше отличаются акустические сопротивления сред, тем большая часть энергии звуковой волны отразится от границы раздела двух сред. Этим условием определяется как возможность, так и эффективность выявления нарушений сплошности материала (включений среды с акустическим сопротивлением, отличающимся от сопротивления контролируемого материала).

Коэффициенты отражения продольной волны на границе между сталью и некоторыми средами, заполняющими полости дефектов сварки, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Коэффициент отражения границы стали с другим материалом

Материал несплошности Коэффициент отражения по интенсивности, %
газ 100.0
вода 88.0
масло трансформаторное 90.0
медь 0.26
кварц 31.0
шлак AН-348 16.0

Из таблицы видно, что шлаковые включения будут выявляться гораздо хуже дефектов таких же размеров, но с воздушным заполнением. Приведенные значения справедливы для несплошностей, размеры которых намного больше длины волны. Если же размеры несплошности в направлении, перпендикулярном УЗ лучу, значительно меньше длины волны, то волны, огибают ее без существенного отражения. Для полученения заметного отражения достаточно, чтобы размеры несплошности были соизмеримы с длиной волны.

Классификация ультразвуковых дефектоскопов.

Ультразвуковой дефектоскоп — это электронно-акустическое устройство, предназначенное для возбуждения — приема УЗ колебаний и преобразования их в вид, удобный для вывода на соответствующий индикатор, снабженное сервисными устройствами для измерения параметров принятых сигналов.

В зависимости от области применения дефектоскопы делят (ГОСТ 23049) на приборы общего назначения и специализированные. В зависимости orфункционального назначения дефектоскопы подразделяют на следующие группы:

1 — для обнаружения дефектов (пороговые дефектоскопы);

2 — для обнаружения дефектов, измерения глубин их залегания и измерения отношения амплитуд сигналов от дефектов;

3 — для обнаружения дефектов, измерения глубин их залегания и измерения эквивалентной площади дефектов по их отражающей способности или условных размеров дефектов;

4 — для обнаружения дефектов, распознавания их форм или ориентации, для измерения размеров дефектов или их условных размеров.

По конструктивному исполнению дефектоскопы делятся на стационарные, переносные и портативные. По степени участия дефектоскописта в процессе контроля различают ручные, механизированные и автоматизированные дефектоскопы.

Функциональная схема ультразвукового дефектоскопа общего назначения.

Принцип работы современного УЗ эхо-импульсного дефектоскопа можно представить на основе схемы (рис.1). Генератор синхронизируюших испульсов (ГСИ) через определенные промежутки времени вырабатывает импульсы, которые проходят через делитель частоты и запускают различные блоки прибора.

Рис.1. Функциональная схема ультразвукового эхо-импульсного дефектоскопа общего назначения .

С – синхронизатор

ГСИ – генератор синхронизирующих импульсов

ДЧ – делитель частоты;

ГИВ – генератор импульсов возбуждения;

ОК — объект контроля;

А – аттенюатор;

У – усилитель;

ПУТ — приемно-усилительный тракт;

ЭЛТ — электронно-лучевая трубка;

К1,К2 – переключатели;

Р1 ,Р2 – разъемы;

ПЭП1, ПЭП2 – преобразователи;

БР — блок развертки и подсветки;

BРЧ — временная регулировка чувствительности;

АСД — блок автоматической сигнализации дефектов;

БИ — блок измерений;

И – индикатор;

ИП — источник питания.

Генератор импульсов возбуждения (ГИВ) вырабатывает короткий электрический импульс, который через разъем Р1 подается на пьезоэлемент ПЭП1. Вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта пьезоэлемент ПЭП1 преобразовывает электрический импульс в упругое колебание, которое излучается в объект контроля (OK) в виде УЗ волны. УЗ колебания, отраженные от противоположной поверхности объекта контроля или oт дефектов, возвращаются к поверхности контроля. Вследствие явления прямого пьезоэлектрического эффекта упругое колебание пьезоэлементом ПЭП2 преобразуется в электрический импульс, который через разъем Р2 поступает на аттенюатор (А). Аттенюатор служит для калиброванного ослабления и измерения отношений (дБ) принятых сигналов. Далее сигнал усиливается и преобразовывается в блоке усилителя (У), а затем подается на вертикально-отклоняющую пластину электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) или на другой индикатор. Блок развертки (БР) вырабатывает пилообразные импульсы и прямоугольные импульсы подсветки. Пилообразные импульсы подаются на горизонтально-отклоняющие пластины ЭЛТ. Напряжение подсветки обеспечивает испускание электронного пучка только на прямолинейном участке пилообразного напряжения.

Блок временной регулировки чувствительности (ВРЧ) позволяет скомпенсировать уменьшение эхо-сигналов с увеличением глубины, связанное с геометрическим расхождением пучка и затуханием звука в материале.

Блок автоматической сигнализации дефектов (АСД) предназначен для установления зоны контроля и формирования сигнала для подачи на звуковой, световой или другой сигнализатор при наличии зхо-имлульсов в зоне контроля.

Блок измерений (БИ) предназначен для измерения координат дефектов с выдачей информации на индикатор (И), а также дли измерения длительности задержки развертки, временных параметров АСД и системы ВРЧ

Источник питания (ИП) служит для преобразования питающего электрического напряжения и его распределения по блокам дефектоскопа.

Измеряемые характеристики дефектов.

Основным параметром, по которому в эхо-импульсном методе судят о величине обнаруженной несплошности, является амплитуда отраженного от нее сигнала. Эхо-импульс на экране дефектоскопа, возникший при прохождении этого сигнала, сравнивают с эхо-импульсом от искусственного отражателя заданной геометрической формы, условно помещенного в ту же точку изделия, где находится дефект.

Реальные дефекты отличаются от идеальных геометрических моделей. Вследствие этого при одинаковой амплитуде эхо-импульсов от несплошности и искусственного отражателя их геометрические размеры, как правило, отличаются. Поэтому в УЗ дефектоскопии для характеристики геометрических размеров выявленной несплошности используют понятие эквивалентного размера.

Акустическое поле, формируемое преобразователем в изделии, представляет собой пучок, ширина которого меняется с глубиной. При перемещении ПЭП слева направо эхо-импульс возникает, когда дефект озвучивается правой частью пучка. При пересечении акустической осью ПЭП центра дефекта эхо-импульс максимален. Таким образом, при перемещении ПЭП над компактным (точечным) дефектом, эхо-импульс от него наблюдается не в точке, а на некотором участке. Поскольку ширина пучка зависит оттого, на каком уровне она определяется, то и протяженность изменяется в некоторых пределах при изменении усиления дефектоскопа.

Литература:

  1. Кретов Е.Ф. Ультразвуковая дефектоскопия в энергомашиностроении. Санкт-Петербург: издательство «Радиоавионика». — 1995. – 327 с.

2 Физические основы ультразвуковой дефектоскопии

2.1. Понятие об акустических колебаниях и волнах

  • Акустическими волнами называют распространяющиеся в упругой среде механические колебания частичек среды.

При движении волны частицы не перемещаются, а совершают колебания около своих положений равновесия.

  • Расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе, называется длиной волны .

Длина волны связана со скоростью распространения С и частотой f (или периодом Т) соотношением

где: — длина волны ;С –скорость распространения ;

Т – период ; f – частота .

Например для воздуха: С= 330 м/с

f= 20 Гц  = 16,5 м;

f= 20000 Гц  = 1,65 см;

f= 20000000 Гц  = 0,165 мм;

В зависимости от направления колебаний частиц по отношению к направлению распространения волны различают: продольные, поперечные, поверхностные и нормальные волны (волны в пластинах).

В продольной волне частицы колеблются вдоль направления распространения волны. Колебания могут распространяться в твердой, жидкой и газообразных средах.

Если направление колебаний частиц среды перпендикулярно направлению распространения, то такие колебания называются поперечными (или сдвиговыми). Они могут распространяться только в среде, которая обладает упругостью формы.

Продольные и поперечные волны могут распространяться в чистом виде только в неограниченной среде ( или /2) или в теле, размеры которого в направлениях, не совпадающих с направлением распространения волны, значительно превышают длину последней. Схематично продольные и поперечные волны представлены на рис. 1.

Рис. 1 Распространение продольных и поперечных волн

На свободной поверхности могут распространяться поверхностные волны (волны Рэлея). В поверхностной волне частицы одновременно совершают колебания в направлении распространения и перпендикулярно ему, описывая эллиптические или более сложные траектории. Амплитуда колебание по мере удаления от поверхности вглубь убывает по экспоненте, поэтому волна локализована в тонком поверхностном слое толщиной в одну – полторы длины волны и следует изгибам поверхности рис. 2.

Рис. 2 Распространение поверхностных волн

При распространении волны в плоских телах с постоянной толщиной (листах, тонких пластинках, проволоке) могут возникать нормальные волны или Волны Лэмба. При этом частицы совершают колебания по таким же траекториям, как в поверхностной волне, но на всю толщину листа, пластины оболочки. Обычно возникают и распространяются независимо две нормальные волны симметричная (волна сжатия или растяжения) и антисимметричная (волна изгиба) рис. 3.

Рис. 3 Волны в пластинах

а — симметричная, б — ассиметричная

Скорости распространения продольной, поперечной и поверхностной волн определяется упругими свойствами материала (модулями упругости и сдвига, коэффициентами Пуассона) и его плотностью. Скорость распространения нормальных волн в отличие от скорости распространения других типов волн зависит не только от свойств материала, но и от частоты звуковых колебаний и толщины изделия.

Сl Сt СS; Сt ~ 0,55 Cl СS ~ 0,93 Сt.

Акустические волны различают также по форме фронта волны или волновой поверхности.

  • Фронт волны это геометрическое место точек среды, в которых в рассматриваемый момент времени фаза волны имеет одно и то же значение.

Если в среде распространяется кратковременное возмущение (импульс), то фронтом волны называется граница между возмущенной и невозмущенной областями среды.

Фронт или волновая поверхность непрерывно перемещается в среде и при этом деформируется. В неограниченной изотропной среде распространение упругих волн имеет пространственный характер, и, в зависимости от формы фронта, волны могут быть плоскими, сферическими и цилиндрическими рис 4.

Рис. 4 Плоские, сферические, цилиндрические волны

  • Плоские волны возбуждаются пластинкой, если ее поперечные размеры намного превосходят длину волны. Волновые поверхности плоской волны имеют вид параллельных плоскостей.

  • Сферические волны возбуждаются точечным источником или колеблющимся шаровым телом, размеры которого малы. Волновые поверхности сферической волны имеют вид концентрических сфер.

  • Цилиндрические волны возбуждаются цилиндрическим телом (стержень, цилиндр и т.д.) длина которого значительно его поперечных размеров. Волновые поверхности имеют вид концентрических цилиндров.

На очень больших расстояниях сферические и цилиндрические волны переходят в плоские.

В зависимости от частот различают следующие волны:

  • Инфразвуковые f= до 16-20 Гц;

  • Звуковые f= 16 – 20000 Гц;

  • Ультразвуковые f=20 кГц – 1000 Мгц;

  • Гиперзвуковые f 1000 Мгц.

Для целей дефектоскопии используются волны различных диапазонов:

Звуковой f=1-8 кГц;

Ультразвуковой f= 20 кГц – 50 Мгц;

В настоящее время ведутся работы и удается получать частоты до 1000 МГц.

Длина волны гиперзвуковых колебаний сравнима с длиной волны видимых световых волн. Это делает их похожими по своим свойствам со свойствами световых лучей, поэтому многие задачи рассматриваются с точки зрения геометрической акустики.

  • Геометрическая акустика – упрощенная теория распространения звука, пренебрегающая дифракционными явлениями.

Геометрическая акустика основана на представлении о звуковых лучах, вдоль каждого из которых звуковая энергия распространяется не зависимо от соседних лучей. В однородной среде звуковые лучи – прямые линии.

С математической точки зрения геометрическая акустика есть предельный случай волновой теории распространения звука при стремлении длины волны к 0 и в этом отношении аналогична геометрической оптике в теории распространения света.

Коротковолновые УЗ — колебания распространяются в виде направленных лучей. Как и световые лучи они могут отражаться, преломляться, фокусироваться, интерферировать, при чем не только сами с собой, но и со светом, испытывать дифракцию и затухать по мере распространения.

Длина волны гиперзвуковых волн может стать сравнимой с размерами атомов. В этом случае начинается проявляться квантовый характер такой волны и, по аналогии со световым потоком, такой поток звуковой энергии оказывается возможно рассматривать в виде потока частиц (фононов), которые взаимодействуют уже не с конечными объемами вещества или кристаллами, а уже с электронами атома. При этом возникают различные эффекты такого взаимодействия, которые позволяют изучать более широкий круг физических характеристик материалов.

С другой стороны инфразвуковые волны обладают большими длинами, проходят на большие расстояния, что позволяет контролировать физические свойства больших массивов вещества (напр. в геологоразведке).

Акустические волны ультразвукового диапазона обладают свойствами очень сильно отражаться от границы твердое тело – воздух. Расчеты показывают, что слои воздуха толщиной 10-5 мм и более при f= 5 Мгц происходит 100% отражение посланной энергии, при толщине слоя 10-5 мм отражение составляет ~ 90%, а слой толщиной 10-6 мм отражает ~ 80% посланной энергии. Благодаря этому свойству УЗ — колебания эффективно отражаются от трещин, воздушных полостей и т.д., что позволяет их легко обнаружить.

Все выше сказанное привело к широкому распространению акустических методов контроля качества материалов и изделий.

ВВЕДЕНИЕ

Наибольшее развитие за последнее время получила ультразвуковая дефектоскопия. По сравнению с другими методами неразрушающего контроля она обладает важными преимуществами: высокой чувствительностью к наиболее опасным дефектам типа трещин и непроваров, большой производительностью, возможностью вести контроль непосредственно на рабочих местах без нарушения технологического процесса, низкой стоимостью контроля.

Ультразвуковые методы контроля позволяют получить информацию о дефектах, расположенных на значительной глубине в различных материалах, изделиях и сварных соединениях. Автоматизация ультразвукового контроля не только повышает производительность труда, но и позволяет получить объективную картину качества изделия или сварного соединения, подобную рентгенограмме.

Методы ультразвуковой дефектоскопии стали основными в различных отраслях народного хозяйства: в энергетике, тяжелом и химическом машиностроении, на железнодорожном транспорте, в судостроении.

ультразвуковой дефектоскопия контроль импульсный

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ

Природа и получение ультразвуковых колебаний.

Упругие механические колебания, распространяющиеся в воздухе, воспринимают обычно как звуки. Это — акустические колебания. Если их частота более 20000 Гц (20 кГц), т. е. выше порога слышимости для человеческого уха, то такие колебания называют ультразвуковыми (УЗК). В дефектоскопии наиболее часто используют диапазон частот 0,5—10 МГц (1 МГц=106 Гц).

Упругие колебания могут быть возбуждены в твердых, жидких и газообразных средах. При этом колебательное движение возбужденных частиц благодаря наличию упругих сил между ними вызывает распространение упругой УЗ-волны, сопровождаемое переносом энергии.

Для получения УЗ-колебаннй применяют пьезоэлектрические, магнитострикционные, электромагнитно-акустические (ЭМА) и другие преобразователи. Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические преобразователи, изготовленные из пьезокерамических материалов или из монокристалла кварца. На поверхности пьезопластины наносят тонкие слои серебра, служащие электродами. При подаче на пьезопластину электрического напряжения она изменяет свою толщину вследствие так называемого обратного пьезоэлектрического эффекта. Если напряжение знакопеременно, то пластина колеблется в такт этим изменениям, создавая в окружающей среде упругие колебания. При этом пластина работает как излучатель. И наоборот, если пьезоэлектрическая пластина воспринимает импульс давления (отраженная УЗ-волна), то на ее поверхности вследствие прямого пьезоэлектрического эффекта появляются электрические заряды, величина которых может быть измерена. В этом случае пьезопластина работает как приемник.

Процесс распространения ультразвука в пространстве является волновым. Граница, отделяющая колеблющиеся частицы среды от частиц, еще не начавших колебаться, называется фронтом волны. Упругие волны характеризуются скоростью распространения С, длиной волны л и частотой колебаний f. При этом под длиной волны понимается расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися одинаковым образом (в одинаковой фазе). Число волн, проходящих через данную точку пространства в каждую секунду, определяет частоту УЗ-колебаннй. Длина волны связана со скоростью ее распространения соотношением

л= C/f

Следует отличать скорость волны С от скорости колебания частиц v. Скорость С — физическая константа среды и зависит от ее свойств. Поэтому, применяя формулу в виде C = fл или f = C/л важно помнить, что нельзя изменить скорость волны С за счет частоты f (или длины волны л). Длину волны л в любой среде можно изменить только путем изменения частоты f возбуждаемых колебаний.

Типы и скорость ультразвуковых волн.

В зависимости от направления колебания частиц различают несколько типов волн. Если частицы среды колеблются вдоль распространения волны, то такие волны (рис. 1,а) называются продольными (волнами растяжения-сжатия). В случае, если частицы среды колеблются перпендикулярно к направлению распространения волны, то это волны (рис. 1,б) — поперечные (волны сдвига). Поперечные волны могут возникать лишь в среде, обладающей сопротивлением сдвига. Поэтому в жидкой и газообразной средах образуются только продольные волны. В твердой среде могут возникать как продольные, так и поперечные волны.

Рисунок 1. Типы упругих волн: а — продольные; б — поперечные; в — поверхностные; г — пластиночные. Стрелками показано направление смещения частиц среды

Скорость Сl продольных волн в среде плотностью с определяется модулем нормальной упругости Е и коэффициентом Пуассона м. Учитывая, что G=Ј/2(l + ft) можно определить отношение скоростей поперечных и продольных волн:

Скорость Сt скорость поперечных волн в среде плотностью с

Поскольку для металлов м?0,3 то Ct/Cl=0,55

Кроме поперечных и продольных волн, в твердых телах могут быть возбуждены волны других типов. Вдоль свободной поверхности тела могут распространяться поверхностные волны (волны Рэлея). Они являются комбинацией поперечных и продольных волн. Плоскость поляризации у них, т. е. плоскость, в которой колеблются частицы среды, перпендикулярна к поверхности. Глубина распространения этих волн в теле примерно равна длине волны, а скорость составляет CRE=0,9Ct (рис. 1,в).

В тонких листах или в изделиях, толщина которых соизмерима с длиной волны, распространяются пластиночные волны (волны Лэмба). Они занимают всю толщину пластины (рис. 1,г).

В плакирующих слоях биметаллических листов могут распространяться поверхностные волны с горизонтальной поляризацией (волны Лява).

Распространение ультразвука.

Пространство, в котором распространяются УЗ-волны, называют ультразвуковым полем. УЗ-волна в направлении своего движения несет определенную энергию. Количество энергии, переносимое УЗ-волной за 1 с через 1 см2 площади, перпендикулярной к направлению распространения, называется интенсивностью ультразвука I. Для плоской волны при амплитуде смещения А:

Произведение скорости С ультразвука на плотность с среды называется удельным акустическим сопротивлением. Значения Z=сC (С дано для продольной волны), характеризующие акустические свойства материалов.

Затухание УЗ-колебаний происходит по экспоненциальному закону

А=А0exp(-дr),

где А0-амплитуда зондирующего импульса; д — коэффициент затухания, см-1.

Поскольку интенсивность ультразвука равна квадрату амплитуды, то снижение интенсивности вследствие затухания описывается формулой

I=I0exp(-2дr).

На практике нет необходимости определять амплитуду А или интенсивность волны I в абсолютных единицах, а достаточно найти величину их относительного ослабления. Тогда для выражения относительной величины I/I0=A2/A02 используют специальные единицы — децибелы.

Число децибел:

N=101gI/I0=201gA/A0 .

Пользуясь шкалой децибел (рис. 2), легко установить, например, что если отношение амплитуд посланного отраженного от несплошности сигнала А/А0=2, то lg2 ? 0,3, что соответствует N=-6 дБ и т. п. Эта шкала очень удобна в дефектоскопической практике, поскольку амплитуды могут изменяться на 2—3 порядка — в 10; 100 и 1000 раз, а в децибелах это составит соответственно 20, 40 и 60 дБ, т. е. значения одного порядка.

Рисунок 2. Номограмма перевода относительных единиц в децибелы

Свойства ультразвука.

Как показано на рис. 3, УЗ-колебания от генератора-излучателя ИП распространяются в материале изделия. При наличии дефекта Д образуется отраженное поле. За дефектом при его значительных размерах (>>л) имеется акустическая тень. Регистрируя с помощью приемника-преобразователя П1 ослабление УЗ-волны или с помощью преобразователя П2 (или ИП) эхо, т. е. отраженную УЗ-волну, можно судить о наличии дефектов в материале. Это является основой двух наиболее распространенных методов УЗ-контроля: теневого и эхо-метода.

Рисунок 3. Схема УЗ-контроля материала: Д — дефект; ИП — излучатель и приемник (совмещенная схема); П1 — приемник в теневом методе; П2 — приемник в эхо методе

Наиболее важные дефектоскопические свойства УЗК: направленность УЗК, ближняя и дальняя зоны преобразователей, отражение УЗК от несплошностей, затухание, трансформация УЗК.

Направленность УЗК. При излучении пьезоэлементом (рис. 4, а) импульса УЗК в среде возникает УЗ-поле, которое имеет вполне определенные пространственные границы. Угол расхождения цР зависит от соотношения длины волны и диаметра излучателя 2а:

цp?arcsin0,61л/a=0,61C/(af)=1,22л/(2a).

Для малых углов sinцpцp. Как видно из выражения, направленность УЗ-поля тем выше (угол цp меньше), чем больше произведение аf.

Рисунок 4. Структура ультразвукового поля излучателя: а — акустическое поле; б — изменение интенсивности вдоль луча; в — диаграмма направленности

Направленность УЗ-поля удобно представлять в виде графика в полярных координатах, называемого диаграммой направленности (рис. 4, в). Диаграмма характеризует угловую зависимость Ф (ц) амплитуды поля в дальней зоне. Полярный угол ц отсчитывают от полярной оси, совпадающей с направлением излучения максимальной амплитуды.

Диаграмму направленности прямого преобразователя выражают через цилиндрическую функцию Бесселя (первого рода и первого порядка):

Анализ этого выражения показывает, что с увеличением ал или af направленность поля возрастает. При ал>0,6 в диаграмме, кроме основного, возникают боковые лепестки. Однако в них обычно сосредоточена малая часть (до 20 %) излучаемой энергии.

Ближняя и дальняя зоны. Приведенная выше формула показывает направленность УЗ-пучка в так называемой дальней зоне или зоне Фраунгофера. В ближней зоне, называемой зоной Френеля, амплитуда поля осциллирует (изменяется) как вдоль оси (рис. 4,б), так и по сечению пучка, а УЗ-волна при этом распространяется почти без расхождения.

Протяженность ближней зоны r0 для цилиндрического излучателя

r0=a2/л= a2f/C

Из формулы видно, что увеличение диаметра излучателя, сужая направленность пучка, увеличивает ближнюю зону преобразователя.

Отражение от несплошностей. Это свойство УЗ-волн служит основой для их использования в эхо-импульсном методе дефектоскопии материалов. При падении волны на поверхность раздела двух сред в общем случае часть энергии проходит во вторую среду, а часть отражается и первую. Если УЗ-волна перпендикулярна к границе двух сред, то проходящая и отраженная волны будут такого же типа, что и падающая. Коэффициент отражения R как отношение интенсивностей отраженной и падающей волн зависит от соотношения удельных акустических сопротивлений Z1=с1C1 и Z2=с2C2 первой и второй сред:

Из формулы видно, что R не зависит от направления УЗК через границу раздела сред Z1 и Z2.

Коэффициент прохождения волны D=1—R. Чем больше разница в акустических сопротивлениях, тем больше интенсивность отраженной волны.

Раскрытие несплошности также влияет на отражение УЗ-волн. Однако заполненные воздухом трещины раскрытием Дг= 10-4—10-5 мм отражают около 90 % падающей энергии УЗК. Можно считать, что пределом выявляемости трещин служит несплошности раскрытием Дг> 10-5л.

Если размеры дефектов малы, то УЗ-волны огибают небольшую несплошность без существенных отражений.

Свойство отражения УЗ-волн служит основой для выявления несплошностей в металлах, поскольку акустические свойства таких дефектов, как поры, шлаки, непро-вары, существенно отличаются от свойств основного металла. Коэффициент отражения от трещин, несплавлений и пор близок к единице, если величина их раскрытия более 10-4 мм, а поперечный размер соизмерим с длиной волны. Для шлаков R=0,35—0,65 в зависимости от марки флюса.

Стандартная УЗ-аппаратура позволяет уверенно выявлять несплошности площадью S?1 мм2. При увеличении частоты УЗК можно выявлять несплошности и с меньшей площадью, но при этом значительно повышается затухание УЗК.

Затухание. Коэффициент затухания д в приведенных выше формулах возрастает с увеличением частоты не линейно, а в повышенной степени. Причем коэффициент затухания различен для различных материалов и складывается из коэффициентов поглощения и рассеяния д=дп+др.

Поглощенная звуковая энергия переходит в теплоту. Рассеянная энергия остается по форме звуковой, но уходит из направленного пучка, отражаясь от неоднородной среды. В однородных средах (пластмасса, стекло) затухание определяется главным образом поглощением ультразвука: дп>др. Причем дп пропорционально либо f (стекло), либо f2 (пластмассы).

В металлах рассеяние преобладает над поглощением др>>дп, причем дп пропорционально f, а др пропорционально f3 или f4. Коэффициент от соотношения средней величины зерен D и длины л УЗ-волны. Увеличение размера зерен приводит к росту затухания УЗК, при этом дР=D3f4.

Для того чтобы рассеяние УЗК на зернах не искажало результаты дефектоскопии, практически необходимо иметь л>(10…100)D. Если это условие выполняется по верхнемy пределу (л?100D), то можно обычно контролировать металл на глубину вплоть до 8— 10 м и даже более.

При распространении УЗ-волн в металлах возможна реверберация — постепенное затухание колебании, обусловленное повторными отражениями. Реверберация может быть объемной (из-за многократного отражения колебаний от поверхностен, ограничивающих контролируемое изделие) и структурной (из-за многократного отражения и рассеяния колебаний границами зерен металла).

Рассеяние УЗК значительно зависит от анизотропии кристаллов. При этом скорость по одной из осей кристалла или зерна существенно отличается от скорости вдоль его другой оси. У алюминиевых сплавов и у сталей упругая межзерениая анизотропия кристаллов обычно мала. У нержавеющих (аустенитных) сталей и чугуна явления межзеренной анизотропии резко выражены, что приводит к рассеянию УЗК и плохой прозвучиваемости этих материалов.

Зависимость коэффициента затухания от величины зерна используют для измерения размеров зерна. При этом принимают диапазон волн примерно в области л=(4 — 10)D.

В практике УЗ-дефектоскопии коэффициент затухания часто измеряют в Нп/см или, что то же самое, в см-1.

Вследствие значительной зависимости коэффициента затухания ультразвука от величины зерна металла этот коэффициент имеет весьма большие колебания в тех изделиях, которые склонны к образованию разнозернистой структуры, например в крупногабаритных поковках из аустенитной стали.

С ростом частоты коэффициент затухания увеличивается, поэтому крупнозернистые металлы прозвучивают обычно на более низких частотах 0,5—1,8 МГц.

Трансформация УЗК.

Рассмотренные выше процессы отражения УЗ-волн относились к нормальному их падению на границу раздела сред. При контроле сварных швов применяют, как правило, наклонные преобразователи с вводом УЗК под некоторым углом к вертикали. В общем случае при падении продольной волны наклонно под углом в к границе двух твердых сред происходит трансформация (расщепление) этой волны (рис. 5, а). Возникают две преломленные волны (продольная Cl’ и поперечная Ct’) и две отраженные Cl и Cl. Углы преломления и отражения зависят от скоростей соответствующих волн в данных средах. Эту зависимость называют законом Снеллиуса. Записанный только для преломления волн этот закон имеет вид

sinв/Cl= sinбl/Cl’= sinбt/Ct’.

При увеличении угла падения в, который соответствует углу плексигласовой призмы в наклонных преобразователях, углы ввода УЗК в металл бl и бt также меняются и вся диаграмма как бы поворачивается против часовой стрелки вокруг точки 0 (рис. 5, б, в). При этом сначала возможно исчезновение в прозвучиваемом металле луча Cl’, а потом — луча Ct’. Углы в соответствующие исчезновению продольной, а затем поперечной волн в металле, называют соответственно первым и вторым критическими углами. Значению вкр1 отвечает угол бl = 90°, а значению вкр2 угол бt=90°.

Рисунок 5. Отражение и преломление продольной волны на границе разделов двух твердых сред

При УЗ-дефектоскопии сварных швов во многих случаях целесообразно вводить в металл только поперечную волну. Поэтому угол призмы наклонных преобразователи выбирают обычно в интервале между двумя критическими значениями:

(вкр1+3°)<в<(вкр2-3°).

Поправку на 2—5° вводят для большей помехозащищенности контроля: в первом случае от продольной, а во втором — от поверхностной волны.

Акустический тракт.

Процессы преобразования энергии УЗ-колебаний происходят в трех так называемых трактах УЗ-дефектоскопа: электроакустическом, электрическом и акустическом.

Электроакустический тракт — это участок схемы дефектоскопа, который состоит из пьезопреобразователей, демпферов, переходных и контактных слоев, электрических колебательных контуров генератора на входе приемника.

В электроакустическом тракте электрические колебания преобразуются в ультразвуковые и обратно, поэтому он определяет резонансную частоту УЗК, длительность зондирующего импульса и коэффициенты преобразования электрической энергии в акустическую.

Электрический тракт, определяющий амплитуду зондирующего импульса и коэффициент усиления, состоит из генератора и усилителя.

Акустическим трактом называют путь ультразвука от излучателя до отражателя в материале и от этого отражателя до приемника. Важная задачи методики УЗ-контроля — расчет акустического тракта, т. е. оценка ослабления амплитуды эхо-сигнала в зависимости от акустических и геометрических параметров тракта.

Физические основы и методы ультразвуковой дефектоскопии.

Ультразвуковой контроль (УЗК) относится к акустическому виду неразрушающего контроля, основанному на анализе результатов взаимодействия звуковых волн с объектом контроля (ОК) => УЗК относится к методам активного контроля (подразумевает воздействие на ОК и последующий анализ изменения первичного воздействия для характеристики дефектов).

Все многообразие акустических методов неразрушающего контроля основано на взаимодействии упругих сред (жидких, твердых и газообразных) с акустическими колебаниями и волнами. Они отличаются способами возбуждения колебаний и их регистрацией.

Из числа акустических методов чаще всего применяют ультразвуковую дефектоскопию (УЗД), ультразвуковую толщинометрию (УЗТ) и акустико-эмиссионный неразрушающий контроль. На УЗД в мировой практике приходится в настоящее время 60 % всего объема неразрушающего контроля.

Акустические колебания и волны

Акустические колебания представляют собой механические колебания частиц упругой среды. Процессы распространения этих колебаний в среде называют акустическими волнами. Линию, указывающую направление распространения волны, называют лучом, а границу раздела колеблющихся частиц от неколеблющихся — фронтом волны.

Акустические колебания характеризуются частотой, интенсивностью и видом. Виды колебаний в основном определяются свойствами упругой среды и способом их создания. В жидкостях и газах, обладающих упругостью объема, акустические колебания распространяются с одинаковой скоростью во всех направлениях. В твердых телах, характеризуемых помимо упругости объема еще и упругостью формы (сдвиговой упругостью) и неодинаковостью деформаций растяжение-сжатие по различным направлениям (для анизотропных тел), закономерности распространения акустических волн значительно сложнее.

Колебания с частотой до 16…20 Гц называют инфразвуковыми. Колебания с частотой от 16…20 до (15…20)103 Гц составляют диапазон слышимости, воспринимаемый человеческим ухом. При увеличении частоты колебаний звука более 20 кГц он переходит в ультразвук; при этом способность его распространения меняется: в воздухе способность распространения уменьшается, в твердых и жидких средах — увеличивается. При неразрушающем контроле металлических материалов используются частоты ультразвукового диапазона 0,5…25 МГц (500…25000 кГц).

Распространение акустической ультразвуковой волны в материале происходит с определенной постоянной скоростью С, определяемой свойствами среды. Распространение волны сопровождается образованием в материале зон, в которых частицы находятся в одинаковом колебательном состоянии (фазе). Минимальное расстояние между такими зонами называют длиной волны . Величина связана со скоростью распространения С и частотой колебаний f выражением

Изменить длину ультразвуковой волны в конкретном материале можно только путем изменения частоты f возбуждаемых колебаний.

Направление колебаний частицы в твердых телах может быть различным по отношению к направлению распространения волны. По характеру смещения частиц и распространению колебаний волны бывают нескольких типов.

Характер деформации твердых тел при распространении в них упругих волн некоторых типов (величины деформации тела очень малы и измеряются долями процента от длины волны):

а — продольные (растяжение-сжатие);

б — поперечные (сдвиговые).

Продольными называют волны, когда частицы упругой среды колеблются в направлении распространения волны, подвергаясь при этом поочередно деформациям растяжения-сжатия.

Скорость продольной волны определяют по формуле

, где Е — модуль упругости; — коэффициент Пуассона; — плотность среды.

Если частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения, испытывая деформации сдвига, такие волны называют поперечными или сдвиговыми. Поперечные волны могут возникать только в твердых средах, обладающих сдвиговой упругостью. Скорость поперечной волны

Среда распространения

Тип (название) волны

Характеристика волны

Скорость распространения

Жидкость или газ

Продольные (растяжения-сжатия)

Периодические расширения и сжатия среды

С

Безграничное твердое тело (сталь)

Продольные (расширения-сжатия, безвихревые)

Частицы колеблются в направлении распространения волны

Поперечные (сдвига, эквиволюминальные)

Частицы колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны

При проведении УЗД и УЗТ металла и сварных соединений используют в основном поперечные и продольные волны.

Затухание ультразвука

Распространение ультразвуковой волны, вызванной колебательными движениями возбужденных частиц благодаря упругим силам между ними, сопровождается переносом энергии. Количество энергии, переносимое волной за 1 с через 1 см2 площади, перпендикулярной направлению распространения, называют интенсивностью ультразвука. Интенсивность ультразвуковых колебаний частиц обычно невелика (энергия волны не более 100 Вт/см2 и не выходит за пределы упругих деформаций, где напряжения и деформации связаны линейной зависимостью.

Интенсивность ультразвука по мере прохождения в среде уменьшается за счет ее волнового сопротивления z. Величина этого сопротивления, часто называемого характеристическим импедансом, зависит от плотности среды , скорости распространения волн С и определяется выражением

Интенсивность ультразвука J пропорциональна квадрату амплитуды упругого смещения и квадрату частоты колебаний

,

где A — амплитуда упругого смещения частиц среды; f — частота колебаний.

Из последнего выражения следует, что чем большим акустическим сопротивлением обладает среда, тем большая энергия требуется для возбуждения в ней волн заданной частоты и амплитуды. По мере прохождения волны от источника излучения амплитуда упругого смещения частиц уменьшается и интенсивность ультразвука падает. Затухание интенсивности происходит по двум основным причинам: поглощения и рассеяния. Коэффициент затухания соответственно состоит из двух слагаемых

,

где — коэффициент поглощения, определяемый вязкостью среды и частотой колебаний; — коэффициент рассеяния, зависящий от структуры, упорядоченности расположения и размера зерен кристаллов.

Поглощение — это процесс перехода энергии колебаний в тепловую, обусловленный трением колеблющихся частиц. Поглощение будет тем больше, чем больше частота колебаний.

При рассеянии происходят преломление и трансформация ультразвуковых волн. Рассеяние обусловлено кристаллической структурой металлов и сплавов. При прохождении ультразвуковой волны через границы кристаллов волна частично отражается, преломляется и трансформируется. Рассеяние по этим причинам может быть значительным. Максимальное рассеяние имеет место при , где — средний размер зерна.

Снижение интенсивности ультразвука вследствие его затухания в зависимости от пройденного в материале расстояния происходит по экспоненциальному закону

,

где — интенсивность ультразвука на расстоянии х от источника излучения, интенсивность излучения которого ; — коэффициент затухания.

Чем больше коэффициент затухания, тем значительнее ослабление ультразвука, а следовательно, меньше глубина его проникновения. Поскольку амплитуда волны пропорциональна корню квадратному из интенсивности ультразвука (), влияние затухания на амплитуду описывается формулой

Для оценки ослабления в большинстве случаев нет необходимости определять интенсивность J или амплитуду A в абсолютных единицах. Чаще бывает достаточно определить их величину относительно некоторого постоянного (опорного) уровня . В этом случае для выражения относительной величины используют специальные единицы — децибелы. Число децибел дБ определяют по формулам

В практике УЗД, когда контролируется соотношение амплитуд колебаний, для определения дБ обычно используют вторую формулу.

Различные методы ультразвукового контроля отличаются схемами установки излучателя и приемника ультразвуковых колебаний, их положением относительно объекта контроля. Применяют:

Ультразвуковая дефектоскопия, основы, понятия

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 16

Ультразвуковая дефектоскопия – это метод основанный на исследовании процесса распространения звуковых колебаний с частотой 0,5-25 МГц и дальнейшего анализа их амплитуды, времени прихода, формы и других характеристик в контролируемых изделиях с помощью специального оборудования – ультразвукового дефектоскопа. Является одним из самых распространенных методов неразрушающего контроля.

Ультразвуковой метод занимает главенствующее положение, на его долю приходит 32% объёма контроля всех изделий. Несмотря на высокий уровень автоматизации труда в развитых странах, доля ручного ультразвукового контроля остаётся небольшой.

Это связано с тем, что большие объёмы работ проводятся на объектах, находящихся в эксплуатации: атомные электростанции, трубопроводы различного назначения, транспортные средства и т.д.

Характерной чертой указанных объектов является большое разнообразие конструкций, и следовательно, методик ультразвукового контроля, поэтому работы по контролю плохо поддаются автоматизации.

Ультразвуковой метод неразрушающего контроля основан на введении в тестируемый объект высокочастотной волны для получения информации о его состоянии. Существуют два основных принципа использования ультразвука. Первый основан на измерении времени пробега ультразвука в изделии, второй – на измерении амплитуды отражённого сигнала.

Основной из характеристик упругих волн является длинна волны λ. Она пропорциональна размеру выявляемого дефекта и определяется по формуле:

λ=С/f

где λ – длинна волны(м);

С – скорость распространения ультразвука в материале (м/с);

f – частота колебаний волны(Гц).

В ультразвуковом контроле рельсов чаще всего используют продольные и поперечные волны. Реже – поверхностные.

Продольными называются волны, распространение которых совпадает с направлением колебания частиц контролируемой среды. Продольная волна может быть возбуждена: в твердом теле, в жидкой и газообразной средах. Скорость распространения продольной волны в рельсовой стали составляет Сl=5850 м/с.

Поперечными называются волны, которые распространяются в направлении перпендикулярном направлению колебания частиц контролируемой среды.

Поперечная волна может быть возбуждена только в твердом теле. Скорость распространения поперечной волны в рельсовой стали составляет Сt=3230 м/с, то есть в 1,8 раз меньше чем скорость распространения продольной волны.

Ультразвуковые волны обладают следующими свойствами:

· Затухание ультразвуковых колебаний, проявляется поглощением и рассеянием;

· Отражение ультразвуковых колебаний(при нормальном падении волн);

· Преломление ультразвуковых колебаний(при наклонном падении волн);

· Трансформация ультразвуковых колебаний.

Затухание ультразвуковых колебаний. По мере удаления от излучателя амплитуда колебаний частиц постепенно убывает. Это обусловлено геометрическим расположением лучей, что приводит к увеличению ширины ультразвукового пучка, а также потерями в металле рельса, приводящими к постепенному затуханию колебаний при их распространении.

Поглощение – переход акустической энергии волны в тепловую энергию за счет внутреннего трения между частицами вещества контролируемого изделия.

Рассеяние – изменение направления распространения части энергии акустической волны вследствие неоднородности материала изделия.

Отражение ультразвуковых колебаний. Если на пути распространения ультразвуковой волны встречается среда с другими акустическими свойствами, то одна часть энергии проходит во вторую среду, а другая часть – отражается в первую, возвращается в обратном направлении. Распределение энергии между отраженной и прошедшей волнами, определяется соотношением их акустических свойств.

На отражении упругих волн от несплошностей, основана выявляемость дефектов при эхо – методе, т. к. по своим акустическим свойствам несплошности (трещины, поры, шлаковые включения и др.) отличаются от основного материала.

Преломление и трансформация ультразвуковых колебаний. При наклонном падении продольной волны из твердой среды 1 в твердую среду 2, на границе этих двух сред происходит: отражение, преломление и трансформация (расщепление) волны.

Если продольная упругая волна с определённой скоростью падает на границу раздела этих двух твердых сред под углом, отличным от прямого, то отражённая и прошедшая волна преломляются и трансформируются на продольные и поперечные волны, распространяющиеся в первой и второй средах под различными углами.

На практике для обеспечения падения продольных волн под углом используют наклонные пьезоэлектрические преобразователи.

Пьезоэлектрические преобразователи предназначены для возбуждения и приёма ультразвуковых волн (колебаний) частотой от 1 до 5 МГц.

В настоящее время используют пьезоэлектрические преобразователи трёх видов:

— совмещённые – состоят из одного пьезоэлемента, который в один момент времени выполняет роль источника, а в следующий момент времени – роль приёмника;

— раздельно-совмещённые – состоят из двух пьезоэлементов (один – источник, а другой – приёмник ультразвука) расположенных в одном корпусе и разделённых защитным акустическим экраном;

— раздельные – пьезоэлемент в преобразователе выполняет роль только источника или только приёмника ультразвука.

В настоящее время существует классификация методов ультразвукового контроля:

1) Эхо-импульсный метод. Основан на излучении в объект контроля зондирующих импульсов и регистрации эхо сигнала, отраженного от дефекта

2) Зеркальный метод. Основан на анализе параметров акустических импульсов, отраженных от дефектов и донной поверхности объекта.

3) Теневой метод. Основан на анализе уменьшения амплитуды прошедшей волны, обусловленного наличием дефекта.

4. Ультразвуковой инновационный метод неразрушающего контроля с использованием Фазированных Решёток

Ультразвуковой метод неразрушающего контроля с использованием преобразователей в виде фазированных решёток – инновационная технология, которая предлагает новые варианты отображения данных ультразвукового контроля в виде различных типов разверток, называемых сканами, а также схем проведения контроля.

Антенная решётка (Array) – преобразователь с большим количеством элементов, собранных в одном корпусе.

Аппаратура с использованием фазированных антенных решёток (Phased Array) расширяет возможности проведения UT контроля по сравнению с традиционным настолько, что делает его вспомогательным, но не заменяет его.

В промышленности до последнего десятилетия применение ультразвуковой аппаратуры с использованием фазированных решёток находило достаточно ограниченное применение.

Причиной стало отсутствие мощных портативных процессоров вычислительной техники, необходимых для быстрого возбуждения многоканальных преобразователей, а так же необходимости в обработке большой информации, содержащейся в файлах, полученных при проведении сканирования.

Как при традиционном звуковом контроле, так и при контроле с использованием фазированных решёток используются те же основные законы физики, которые определяют распространение ультразвуковых волн.

Например, если оптимальная частота проведения традиционного ультразвукового контроля принимается равной 5,0 МГц, то фазированные решётки, как правило, используют ту же самую частоту, фокусное расстояние и угол ввода.

У фазированных решёток есть главные преимущества перед традиционной ультразвуковой дефектоскопией:

1) Лучи могут быть развернуты в определенном диапазоне углов, управляться и фокусироваться.

2) Обеспечение проведения сплошного 100% контроля участков путём непрерывного сканирования.

3) Документирование и архивизация результатов контроля в виде B, S, C и D – сканов с дальнейшей возможностью повторного их анализа.

4) Повышение вероятности обнаружения дефектов.

5) Вселяет большую уверенность в интерпретации Ложных индикаций.

6) Даёт больший объём информации за такое же отведённое время, как при проведении традиционного UT контроля.

7) Даёт возможность проведения контроля в тех местах, которые ранее были недоступными или труднодоступными для проведения традиционного UT контроля.

8) Предлагается замена радиографии (RT) на ультразвук (UT + PAUT + TOFD).

Переход в мир цифровых технологий и разработка недорогих встроенных микропроцессоров послужило быстрому внедрению аппаратуры следующего поколения на фазированных решётках. Переносные дефектоскопы на фазированных решётках для промышленного контроля появились в начале 2000-х.

В последние годы, чтобы выйти на новый уровень получения информации, а также визуализации результатов традиционного ультразвукового контроля сварных соединений, изменений толщины, а так же обнаружения трещин в процессе эксплуатации, увеличилось использование систем с фазированными решётками в промышленных условиях.

Заключение

Неразрушающий контроль весьма эффективен. Он позволяет снижать трудоемкость контрольных операций, резко повышать производительность труда контролеров. Так, например, металлографический анализ структуры образца занимает 2-3 ч, автоматические средства контроля (АСК) за 1-2 секунды выявляют аналогичные дефекты. Применение методов неразрушающего контроля качества дает весомую экономию средств за счет отбраковки недоброкачественного металла, заготовок перед дорогостоящей механической обработкой.

Неразрушающий контроль даёт возможность проверить качество деталей до вовлечения их в сборку и тем самым не допустить использования дефектных деталей в конструкциях машин, а следовательно, предотвратить аварии и катастрофы. Данные о дефектах, полученные на ранних стадиях производства, позволяют техническим службам предприятия совершенствовать технологические процессы, улучшать режимы обработки металла в горячем и холодном состоянии. Применяя методы неразрушающего контроля, можно уменьшить вес деталей и всего изделия в целом путем уменьшения коэффициентов запаса прочности.

Замена громоздкого испытательного и вспомогательного оборудования, используемого для разрушающих методов контроля, малогабаритными приборами и АСК экономит производственные площади. Машины, собранные из деталей, прошедших контроль неразрушающими способами, гораздо реже выходят из строя и, соответственно, реже требуют ремонта, замены частей и деталей. Широкое внедрение во все области промышленности методов и автоматических средств неразрушающего контроля позволит повысить надежность долговечность, качество изделий, улучшить использование трудовых, материальных и финансовых ресурсов.

Список используемой литературы

1. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник под редакцией проф. Клюева В.В.М.: «машиностроение», 1995. -488 с.

2. Марцинкевич А. Курс лекций по магнитопорошковому методу НК

4. www.bmci.by/u_c/rum.pdf Ультразвуковой инновационный метод неразрушающего контроля с использованием Фазированных Решёток

Ультразвуковой контроль – самый универсальный метод НК

Дефектоскопист > Ультразвуковая дефектоскопия > Ультразвуковой контроль Вся технология ультразвукового контроля (УЗК) построена на простом физическом законе: траектория движения звуковых волн в однородной среде остаётся неизменной. При помощи дефектоскопа и пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) в материале искусственно создаются колебания с частотой более 20 кГц.
Если дефектов нет, они проходят беспрепятственно, без значительного отражения. Если же в материале есть какие-либо неоднородности (пустоты, трещины, инородные включения), то сигналы отражаются от них и регистрируются приёмником. По времени распространения волны можно судить о глубине залегания дефекта, по амплитуде отражённого импульса – о его относительном размере.
Ультразвуковой метод контроля предполагает использование продольных и поперечных волн. Скорость распространения у первых примерно в 2 раза выше, чем у вторых.
Другая важная характеристика упругих колебаний – длина волны. Чем она выше, тем выше разрешающая способность и, следовательно, чувствительность. Правда, пропорционально ей растёт и затухание (уменьшение энергии колебаний). «Золотой серединой» для дефектоскопии считается диапазон частот 0,5–10 МГц.

Для чего проводят ультразвуковой контроль

Данный метод НК позволяет:

  • обнаруживать подповерхностные дефекты – поры, пустоты, расслоения в наплавленном металле, трещины, шлаковые включения и другие вкрапления;
  • выявлять очаги коррозионного поражения;
  • определять неоднородность структуры материалов;
  • оценивать качество сварных, паяных, клееных соединений практически любых типов (тавровых, нахлёсточных, кольцевых, стыковых, угловых), в том числе – соединений разных материалов;
  • измерять глубину залегания дефектов и их размеры.

Ультразвуковой контроль сварных соединений и основного металла – одна из обязательных процедур при техническом диагностировании, отражённая во многих руководящих документах, от РД РОСЭК-004-97 до СТО Газпром 2-2.3-066-2006. Применение УЗК привлекательно тем, что не предполагает разрушения объекта. Даже остановки эксплуатации, как правило, не требуется. Это особенно важно, например, для диагностики трубопроводов, когда нет возможности их дренировать.
Отчасти именно поэтому ультразвуковой контроль всё чаще противопоставляют радиографическому. В пользу первого говорит ещё и то, что он безвреден для человеческого здоровья. Приборы для УЗК хороши своей портативностью, удобство работы в полевых условиях, большим многообразием датчиков, призм, сканеров и прочих принадлежностей для самых разных задач дефектоскопии.
Что касается недостатков этого метода, то чаще всего к ним относят:

  • существенные ограничения при сканировании материалов с крупнозернистой структурой и высоким коэффициентом затухания. Это объясняется слишком интенсивным рассеиванием колебаний. К таким «проблемным» материалам относятся, например, чугун и сплавы с повышенным содержанием никеля;
  • сложность при проведении контроля соединений разнородных материалов;
  • ограниченная пригодность к дефектоскопии объектов сложной конфигурации;
  • относительно низкая точность при оценке реальных размеров дефектов (данная проблема успешнее решена в технологиях ФР и TOFD, о которых написано ниже).

Ультразвуковой контроль сварных соединений: последовательность действий

В классическом виде акустическая дефектоскопия включает в себя следующие этапы: 1) зачистку металлической поверхности – сварного шва и околошовной зоны – от краски, ржавчины, окалины, загрязнений; 2) калибровку и настройку дефектоскопа; 3) непосредственное прозвучивание объекта. Прижимая датчик к поверхности, оператор выполняет продольно-поперечные и вращательные движения; 4) сохранение результатов, передача на ПК; 5) расшифровку данных, оформление заключения.

На каких объектах практикуется ультразвуковой контроль

Метод УЗК практикуется едва ли не во всех отраслях промышленности, от нефте- и газоперерабатывающих производств до атомной энергетики. В металлургии его используют для отбраковки литья и поковок. В авиа- и судостроении – для проверки композитов, сотовых структур, полимеров на предмет трещин, непроклеев и пр. Вот лишь несколько примеров объектов, на которых проводится УЗК:

  • магистральные и технологические трубопроводы газа, пара, нефти, нефтепродуктов и прочих рабочих сред;
  • оболочки реакторных установок;
  • рельсы, стрелочные переводы;
  • литые детали тележек грузовых вагонов;
  • обшивка сосудов, работающих под давлением;
  • корпуса насосов и многое-многое другое.

Ультразвуковой контроль сварных соединений и основного металла эффективен для выявления развивающихся дефектов, возникших в результате эксплуатации. Именно поэтому его проводят не только для входного и выходного контроля, но и для последующих обследований и технических освидетельствований. Без проведения УЗК и/или толщинометрии (УЗТ) не обходится ни одна полноценная экспертиза промышленной безопасности сосудов, работающих под давлением, магистральных и технологических трубопроводов, арматуры, теплообменников, печей и т.д.

Виды ультразвукового контроля

В ГОСТ 23829-85 приводятся определения 16 различных методов УЗК. Мы перечислим лишь основные, наиболее распространённые на практике:

  • теневой. По обе стороны сварного шва, перпендикулярно к его поверхности устанавливаются два преобразователя, один выполняет функцию излучателя, второй служит приёмником. При наличии инородной среды образуется глухая зона, что позволяет судить о наличии дефекта;
  • эхо-импульсный. Метод очень распространён для ультразвукового контроля сварных соединений. Дефектоскоп одновременно и возбуждает, и принимает упругие волны. Если они беспрепятственно проходят через материал и не отражаются, значит, причин для отбраковки нет. В противном случае возникает эхо-сигнал, что свидетельствует о наличии отражателей – неоднородностей. Способ привлекателен тем, что подходит для объектов с односторонним доступом, не требует снятия усиления и иных сложных подготовительных мероприятий;
  • эхо-зеркальный. Излучатель и приёмник разделены и расположены по одну сторону от исследуемого объекта. Волны излучаются под углом и, отражаясь от дефектов, фиксируются приёмником. «Тандем» как метод ультразвукового контроля особенно эффективен для выявления дефектов, перпендикулярных сварному соединению. В первую очередь – речь идёт о трещинах;
  • зеркальной-теневой. Отличается от обычного теневого тем, что преобразователи находятся на одной стороне относительно исследуемой поверхности. Косые волны отражаются от противоположной стороны сварного шва. Если приёмник не фиксирует отражённый сигнал, значит, имеется дефект;
  • дельта-метод. Данный вид ультразвукового контроля применяется редко – когда к качеству сварных соединений предъявляются особо жёсткие требования. Технология предполагает трудоёмкую, очень тонкую настройку дефектоскопа. Расшифровка результатов требует от специалиста особой подготовки. При всех недостатках у этого метода есть очень важное преимущество – повышенная чувствительность к вертикально-ориентированным трещинам, не всегда доступным для выявления стандартным эхо-методом. Суть дельта-метода в том, чтобы определить энергию колебаний, отражённых от дефекта внутрь сварного шва;
  • велосиметрический. Основан на том, чтобы зафиксировать и проанализировать изменение скорости колебаний в дефектной зоне. Обычно применяется для композиционных материалов;
  • ревербационно-сквозной. Также используется для ультразвукового контроля композитных, полимерных и многослойных материалов. Излучатель и приёмник располагаются по одну сторону объекта, на небольшой дистанции друг от друга. Волны посылаются в материал и после многократных отражений «добираются» до приёмника. Стабильные отражённые сигналы свидетельствуют об отсутствии дефекта. В противном случае наблюдается изменение амплитуды и спектра принятых сигналов.

Разумеется, изложенный перечень – далеко не исчерпывающий. При этом все перечисленные выше методы ультразвукового контроля сварных соединений и основного металла относятся к категории активных. Каждый из них подразумевает искусственное излучение и приём акустических волн, которые осуществляются при помощи специальной аппаратуры. Другое дело – пассивные методы. Самый яркий «представитель» этой категории – акустико-эмиссионный мониторинг, но это, по факту, отдельное направление акустической дефектоскопии.
Заканчивая этот блок, нельзя не сказать и об ультразвуковой толщинометрии (УЗТ). Измерение толщины металла – один из ключевых способов коррозионного мониторинга. По результатам УЗТ можно судить об остаточном ресурсе конструкции (механизма, оборудования и пр.).
Как и в ультразвуковом контроле, принцип построен на использовании импульсов, которые излучает преобразователь. Прибор измеряет скорость, за которую они проходят через стенку. Если конкретнее, то известно 3 основных режима: 1) однократного эхо-сигнала. Измеряется время, которое проходит между начальным импульсом возбуждения и первым эхо-сигналом. Значение корректируется с учётом толщины протектора ПЭП, компенсации степени изнашивания и слоя контактной среды; 2) однократного эхо-сигнала линии задержки. Измеряется время от конца линии задержки до первого донного эхо-сигнала; 3) многократных эхо-сигналов. Измеряется время прохождения между донными эхо-сигналами.

Дефектоскопы и другое оборудование для ультразвукового метода контроля

Современные дефектоскопы хороши не только своей портативностью, удобством применения в полевых условиях и на большой высоте. Гораздо важнее – обширный набор функций и многообразие индивидуальных пользовательских настроек. В зависимости от модификации УЗК-дефектоскоп может отображать на своём дисплее А-, В-, С-, S-, L-сканы, вплоть до построения 3D-моделей профиля изделий. Наиболее продвинутые модели имеют два и более независимых канала. Технически самыми совершенными считаются многоканальные приборы со специальным ПО и поддержкой секторного и/или линейного сканирования. Речь идёт о двух технологиях ультразвукового контроля сварных соединений:

  • фазированных решётках (ФР). Имеются в виду особые датчики (кристаллы), на поверхности которых с определённым шагом расположены 16, 32, 64 или 128 элементов. Каждый из них излучает волны с определённой задержкой. Корректируя этот «сдвиг по фазе», можно получить фронт волны с определённым углом. В этом и заключается принцип секторного сканирования. Оператору не нужно водить датчиком по поверхности – он и без этого «видит» все дефекты, расположенные в заданной зоне. По сравнению с одноэлементными ПЭП фазированные решётки могут генерировать пучок волн точно в зоне дефекта. В режиме реального времени на экране многоканального дефектоскопа выстраиваются наглядные А-сканы, на основе которых формируются детализированные, информативные отчёты. Мёртвая зона минимальна. Производительность ультразвукового контроля с ФР примерно в 3–4 раза выше, чем у традиционного УЗК;
  • дифракционно-временном методе (Time of Flight Diffraction, сокращённо – TOFD). Суть технологии – регистрация поперечных и продольных (боковых) волн, дифрагированных на краях несплошностей. Метод предполагает использование двух наклонных датчиков для излучения и приёма волн, расположенные по обе стороны сварного шва. «Натыкаясь» на дефект, волны изменяют своё направление и время прохода. Последний показатель в режиме TOFD считается ключевым. Дифракционно-временной метод эффективно выявляет точечные дефекты, выходящие на поверхность трещины, вогнутость, непровары в корне, расслоения, питтинговую коррозию и пр. Точность измерений достигает ±1 мм. Повторяемость результатов приближается к 100%. По своей информативности и достоверности линейное сканирование – полноценная замена радиографическому методу, особенно для дефектоскопии низколегированных и нелегированных углеродистых сталей.

Другой важнейший атрибут для ультразвукового контроля качества сварных соединений – это преобразователи. Они же датчики, они же ПЭП. Состоят из призматической искательной головки и пластины, изготовленной из титанита бария либо кварца. После того, как на неё подаётся ток в диапазоне частот 0,8–2,5 МГц, начинается излучение коротких импульсов упругих колебаний. Современные датчики позволяют корректировать их длительность и временной интервал между ними.
ПЭП различаются по углу ввода колебаний, способу излучения и приёма ультразвукового тракта, типу контакта, форме акустического поля и рабочей поверхности. Так, для ультразвукового метода контроля сварных соединений используются преобразователи следующих типов:

  • совмещённые, раздельные и раздельно-совмещённые;
  • прямые, наклонные, комбинированные и с переменным углом ввода;
  • фокусирующие и нефокусирующие;
  • притёртые и непритёртые;
  • контактные, иммерсионные, бесконтактные, щелевые и т.д.

Помимо этого, в УЗК активно применяются различные призмы, координатные устройства и сканеры. Для настройки и калибровки не обойтись без стандартных образцов (СОП, СО) и настроечных мер. Для улучшения акустического контакта на поверхность объекта предварительно наносят контактную жидкость/гель.
Для проведения УЗТ требуется толщиномер. Такой прибор технически проще, компактнее, дешевле классического дефектоскопа.

Обучение и аттестация специалистов по ультразвуковому методу контроля

Пройти подготовку и аттестацию на дефектоскописта УЗК можно в специализированных научно-учебных центрах. Всего предусмотрено 3 квалификационных уровня – I, II и III. Продолжительность программы обучения обычно составляет 40–120 часов. В стандартный курс входят следующие дисциплины:

  • введение в классификацию видов и методов неразрушающего контроля;
  • физические основы – теория колебаний, типы упругих волн, их свойства, критические углы ввода;
  • блок по источникам ультразвуковых колебаний (что собой представляет акустическое поле, в чём разница между прямым и обратным пьезоэффектом);
  • методы УЗК;
  • технология проведения акустической дефектоскопии – сварных швов, основного металла и композитов;
  • приборы и дополнительные принадлежности для УЗК.

Специалистов III уровня дополнительно обучают разработке методик проведения ультразвукового контроля. Изучаются типовые требования к их наполнению и оформлению.
По завершении обучения необходимо сдать квалификационный экзамен, состоящий из теоретической и практической части.
Разумеется, в каждом учебном центре есть своя библиотека методической и образовательной литературы. Дополнительно к этому можно почитать «классику» учебников по УЗК – труды И.Н. Ермолова, В.Г. Щербинского, В.В. Клюева, А.Х. Вопилкина и др. Посмотреть информацию об изданиях можно в специальном разделе «Библиофонд» онлайн-библиотеки «Архиус».
Для тех, кто открыт для новых знаний и обмена опытом, на форуме «Дефектоскопист.ру» предусмотрен свой раздел. Начать рекомендуем с веток «Изучение УЗ-контроля» и «Обучение УЗК».
Будьте с «Дефектоскопист.ру» – и вы станете настоящим профессионалом ультразвукового контроля сварных соединений (и не только)!

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *