Возможности ультразвукового контроля при использовании пьезоэлектрических преобразователей с переменным углом ввода пучка

Скачать 98.73 Kb.

Название	Возможности ультразвукового контроля при использовании пьезоэлектрических преобразователей с переменным углом ввода пучка
Тип	Документы

rykovodstvo.ru > Руководство эксплуатация > Документы

ВОЗМОЖНОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ПЕРЕМЕННЫМ УГЛОМ ВВОДА ПУЧКА
Ультразвуковые дефектоскопы ручного контроля комплектуются наборами пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП), имеющих различные фиксированные углы ввода пучка в контролируемый объект. Однако при некоторых видах контроля необходимо использовать точно подобранные значения угла ввода пучка для разных типоразмеров изделий или даже для отдельных изделий из партии. Использование преобразователя с переменным углом ввода позволяет получить удобные решения для ряда типовых задач контроля, некоторые из которых рассматриваются ниже.

ПЭП с переменным углом ввода пучка представлен на рис.1.

Рис. 1
Наличие у преобразователя шкалы углов наклона падающего пучка позволяет в зависимости от объекта контроля и его материала настраиваться на разные типы волн (см., например, таблицу), что существенно расширяет возможности ультразвукового контроля (УЗК) с помощью одного ПЭП.

Таблица.

Углы настройки преобразователя при возбуждении и приеме различных волн в объектах контроля

Материал призмы преобразователя – оргстекло. Материал объекта контроля – сталь.

Объекты контроля	Тип волны	Угол падения пучка β, град.

Массивные изделия	Продольная объемная	0÷27
Массивные изделия	Поперечная объемная	1÷57
Приповерхностные слои	Головная продольная	26÷27
Приповерхностные слои	Головная поперечная	51÷52
Поверхности	Поверхностная Рэлея	65
Тонколистовые материалы (h≤6 мм) и тонкостенные конструкции	Нормальные Лэмба	20÷70

Эффективность работы ПЭП с переменным углом ввода (рис.1) экспериментально оценивалась в совмещенном режиме, согласно ГОСТ 26266-90, ГОСТ 23702-90, с помощью коэффициента преобразования K_UU [1] для объемных продольной и поперечной волн при различных углах настройки. Призма преобразователя–из оргстекла, акустическая нагрузка–из стали, рабочая частота–2.5 МГц. На рис.2 представлены измеренные угловые зависимости K_UU, которые качественно повторяют зависимости коэффициентов прозрачности по энергии для границы раздела оргстекло-сталь при скользящем акустическом контакте между ними [2].

Рис. 2
Для количественного сравнения можно обратиться к техническим данным наклонного преобразователя П121-2.5-65-ВМ-003, изготавливаемого ЗАО «УЗ-КОНСТАНТА» [3]. При угле ввода α_t=65° объемной поперечной волны коэффициент преобразования K_UU= –37±10 дБ. При том же угле ввода (рис.2) ПЭП с переменным углом ввода пучка имеет K_UU= –53 дБ, что свидетельствует о меньшей эффективности работы последнего. Объясняется это добавочным затуханием ультразвука за счет увеличенных размеров призмы и наличием дополнительной границы раздела сред. Однако отмеченный недостаток в значительной степени компенсируется рядом достоинств, описанных ниже.

Контроль объемными волнами.

ПЭП с переменным углом ввода необходим, если:

угол ввода планируется менять при контроле;
точные значения угла ввода выставляются в соответствии с особыми характеристиками контролируемого объекта;
нужна перестройка с продольной волны на поперечную и наоборот.

Контроль сварных швов.

При контроле сварного соединения ответственного назначения для уверенного выявления дефекта возникает необходимость озвучить его прямым и однократно отраженным лучом (рис.3).

Рис. 3

Это можно сделать двумя различными ПЭП с фиксированными углами ввода, но преимущество ПЭП с переменным углом ввода в том, что при его использовании гарантируется повторяемость характеристик «пары» ПЭП.

При решении вопроса о продлении сроков эксплуатации ответственных дорогостоящих изделий важно, по возможности, точнее оценить эквивалентную площадь обнаруженных дефектов. Как указано в [4], достоверность оценки размеров плоскостных дефектов, расположенных под углом к поверхности изделия (поверхности сканирования), существенно зависит от ориентации плоскости дефекта относительно направления акустической оси ПЭП (рис.4).

Рис. 4

При разных способах разделки шва только использование ПЭП с переменным углом ввода может обеспечить нормальное падение УЗ луча на плоскость возможного дефекта и, соответственно, достоверное определение его условных размеров.

Ультразвуковой контроль гибов труб [5].

Согласно инструкции [6] при поиске радиально-ориентированных трещин в гибах труб и некоторых видах деталей энергооборудования необходимо использовать ПЭП с таким углом ввода, чтобы обеспечить встречу ультразвукового луча с нормалью к внутренней поверхности трубы под углом γ=45º (рис.5). Для каждого типоразмера трубы, отличающегося диаметром D и толщиной стенки S, требуется угол ввода α_t, определяемый из уравнения

sin α_t = (1 – S/D) sinγ.

Рис. 5

В [5] указывается, что отсутствие надлежащего контроля за углом встречи опасно массовыми перебраковками изделий. Кроме того, определенную проблему представляет изготовление и поддержание в рабочем состоянии многих десятков ПЭП.

Один преобразователь с переменным углом ввода решает эту проблему, позволяя контролировать трубы нескольких имеющихся на ТЭЦ типоразмеров

Измерение глубины радиальных трещин в цилиндрических объектах [7].

При определении глубины проникновения трещины в тело детали цилиндрической формы в [7] рекомендуется использовать последовательно несколько ПЭП с углами ввода 70, 60-65, 45-50 и 37-40 градусов. Предполагается, что трещина представляет собой непрерывный многоэлементный отражатель, развивающийся преимущественно в радиальном направлении. При этом желательно обеспечить встречу ультразвукового луча с поверхностью трещины под углом 90º (рис. 6).

Рис. 6

Преобразователь с переменным углом ввода полностью решает эту проблему, позволяя надежно определять глубину трещины.

УЗК аустенитных сварных соединений [8-10].

Объекты из аустенитных сталей являются наиболее сложными для УЗК из-за крупнозернистой, анизотропной структуры металла. В [8] в качестве одного из перспективных способов контроля аустенитных изделий и сварных швов указывается двухмодовый, согласно которому дефектами считаются только отражатели, дающие эхо-сигнал при контроле продольными и поперечными волнами, что легко реализуется с помощью одного ПЭП с переменным углом ввода (рис.7). Повторяемость результатов обеспечивается единством «пары» преобразователей.

Рис. 7

Контроль аустенитных сварных швов представляет значительные трудности из-за нестабильности акустических характеристик объектов контроля[9]. При этом скорость ультразвука и затухание различны не только для разных марок аустенитных сталей, но и в пределах одной партии данной марки стали. Применение ПЭП с различными фиксированными углами ввода для контроля таких материалов требует наличия их набора. При использовании ПЭП с переменным углом ввода требуемый угол устанавливается простым перемещением накладки.

Контроль головными и поверхностными волнами.

С помощью головных волн [10] выявляют приповерхностные дефекты под грубо обработанной или необработанной поверхностью, особенно трещины (рис.8).

Рис. 8

Поверхностные волны Рэлея [11] применяют для контроля качества поверхностных слоев изделий из металлов, стекла, камня, керамики и пластмассы. При этом уверенно обнаруживаются такие дефекты, как трещины, царапины, полости, закаты, расслоения, инородные включения.

Селективное возбуждение и прием этих волн возможны только в узком диапазоне углов настройки ПЭП (см. таблицу), которые зависят от упругих свойств материала объекта контроля. Если использовать ПЭП с фиксированными углами падения пучка, то даже незначительное отклонение упругих свойств объекта контроля или формы его поверхности от предполагаемых может резко уменьшить эффективность работы акустического тракта. Поэтому целесообразно применять ПЭП с переменным углом падения пучка. Это позволяет плавно настроить акустический тракт на оптимальную работу.

Контроль нормальными волнами.

Для УЗК тонколистовых материалов (толщиной h≤6 мм) и тонкостенных конструкций (рис.9) используют, чаще всего, нормальные волны Лэмба [11].

Рис. 9

Это волноводные неоднородные волны со сложным распределением амплитуды в сечении волновода и частотной зависимостью фазовой и групповой скоростей. В тонколистовых материалах могут распространяться две группы волн: симметричные (s-моды) и антисимметричные (a-моды). В пластине толщиной d при частоте f можно возбудить определенное количество волн Лэмба (рис.10). Так, в стальной пластине толщиной d=3 мм с помощью ПЭП, имеющего рабочую частоту f=2.5 МГц и призму из оргстекла, можно при f·d=7.5 МГц.мм возбудить: волну Рэлея (как суперпозицию нулевых мод s₀ и a₀₎ при угле падения пучка β=65º, первую антисимметричную моду a₁ при угле падения β=53º, первую симметричную моду s₁ при β=46º, вторую антисимметричную моду а₂ при β=37°, вторую симметричную моду s₂ при β=29°, третью антисимметричную моду a₃ при β=26°, третью симметричную моду s₃ при β=25°.

Рис. 10

Очевидно, что ПЭП с переменным углом ввода–единственно возможное средство для такого контроля, поскольку как толщина, так и материал пластин могут быть различными. Хотя физические основы применения волн Лэмба хорошо описаны [12], интерес к их практическому использованию при ручном и автоматическом контроле возрос в последние годы, что, вероятнее всего, объясняется большим выбором доступных по цене дефектоскопов, удовлетворяющих требованиям, сформулированным в [11].

В [13] перечислены преимущества использования волн Лэмба для контроля тонколистовых материалов:

«многомодовость» – один и тот же объект может контролироваться разными модами волн Лэмба, что увеличивает достоверность контроля;
обеспечение контроля сечений объекта, находящихся на значительных расстояниях от ПЭП;
избирательная чувствительность ко многим типам дефектов;
способность следовать плавным изменениям геометрии объектов.

Волны Лэмба имеют хорошую чувствительность. В [14] с помощью моды s₀ уверенно обнаруживали отверстие диаметром 1 мм в композитной пластине толщиной 3мм. В наших экспериментах с использованием ПЭП с переменным углом ввода и дефектоскопа DIO-562 в стальном листе толщиной 2 мм и в алюминиевом листе толщиной 4 мм на расстоянии 400 мм уверенно обнаруживались сквозные отверстия диаметром 0.5 мм. Чувствительность различных мод волн Лэмба к дефектам разных типов (трещины, расслоения, поры и т.п.) изменяется в значительных пределах. Одним из важнейших вопросов оптимизации ультразвукового контроля тонкостенных изделий с помощью нормальных волн является рациональный выбор номера и типа волны,

рабочей частоты, параметров преобразователей, при которых коэффициент передачи сигнала в акустическом тракте дефектоскопа оказывается наибольшим, а чувствительность контроля–наиболее высокой. Поэтому очень важна возможность селективной настройки дефектоскопа на определенные моды с помощью ПЭП, имеющего переменный угол ввода пучка. При этом удается обнаруживать дефекты на расстояниях в несколько метров.

Полем нормальной волны можно контролировать сразу все сечение листа, стенки трубы или резервуара в направлении ультразвукового луча. Благодаря этому возможно дискретное сканирование [15], позволяющее резко повысить производительность контроля и обеспечить обнаружение дефектов в труднодоступных местах. Так, например, весь лист можно проконтролировать переместив ПЭП только вдоль одной его стороны. Тоже самое можно осуществить, поместив ПЭП в угол листа и обеспечив его вращательное движение.

С помощью селективно возбуждаемых волн Лэмба возможен УЗК стенок участков труб, заделанных в стены и перекрытия сооружений. Для этого притертый ПЭП необходимо переместить на свободном участке трубы по цилиндрической поверхности перпендикулярно оси трубы.

Отмеченные свойства ПЭП с переменным углом ввода пучка существенно расширяют возможности УЗК как ручными, так и автоматическими дефектоскопами.

Литература

Измерения. Контроль. Качество. Неразрушающий контроль. - М.:ИПК

Издательство стандартов, 2002.-709с.

Неразрушающий контроль: Справочник: В 7т. Под общ. ред. В.В. Клюева,

т.3: Ультразвуковой контроль/И.Н. Ермолов, Ю.В. Ланге. - М.: Машиностроение, 2004.-864с.

3 Преобразователи ультразвуковые П121 «КОНСТАНТА-П1». Руководство

по эксплуатации. УАЛТ.020.000.00.РЭ.

4. Колбин И.Б., Горбенко В.Н., Топчий М.М. Об оценке эквивалентной площади плоскостных дефектов. -В мире НК, 2004, №2(24), с. 50-58.

5. Шишин Б.П. Ультразвуковой контроль гибов труб. - В мире НК, 2002, №1(15), с.17-18.

Инструкция по дефектоскопии гибов трубопроводов из перлитной стали (И №23 СД-80). – М.: СПО Союзэнерго, 1981.
Кретов Е.Ф. Измерение глубины радиальной трещины в цилиндрическом объекте. - В мире НК, 2003, №4(22), с.29-30.
Ермолов И.Н. Контроль аустенитных сварных соединений. - В мире НК, 2003, №1(19), с. 4-9.
Ушаков В.М. Особенности применения наклонных ПЭП для дефектоскопии аустенитных сварных соединений. - В мире НК, 2003, №1(19), с. 19-21.
Разыграев Н.П. Головные волны в неразрушающем контроле металлоконструкций.-В мире НК, 2003, №4(22), с.12-14.
Егоров Н.Н., Тоом К.Э. Использование поверхностных и нормальных волн в ультразвуковой дефектоскопии. - Контроль. Диагностика, 2004, №6, с.56-63.
Викторов И.А. физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике. М.:- Наука, 1966.
A. Chahbaz, V. Mustafa and D. Hay. Corrosion Detection in Aircraft Structures using Guided Lamb Waves. - NDTnet – November 1996, Vol. 1, No.11.
V. Agostini, P.P. Delsanto, D. Zoccolan. Flaw Detection in Composite Plates by Means of Lamb Waves. - 15th World Conference on Nondestructive Testing. Roma, (Italy), 15-21 October, 2000.
Пасси Г.С. Современная аппаратура для УЗК металлоконструкций. - В мире НК, 2003, №4(22), с.43-49.