Как используется ультразвуковая дефектоскопия

Ультразвуковая дефектоскопия — экономичный метод. Отличается оперативностью, безопасностью применения и наглядностью результатов. Использование сложного компьютеризированного оборудования не требует много времени и большого количества персонала.

Дефектоскопия
Ультразвуковая дефектоскопия относится к неразрушающим методам контроля.

Суть ультразвукового метода

Впервые принцип дефектоскопии УЗ был предложен в 1928 г.: советский ученый Сергей Соколов показал, как обнаружить повреждения металла и других материалов через вариации энергии ультразвука. Соколов изобрел первый дефектоскоп, в котором применил ультразвуковые колебания для определения внутренних дефектов, трещин, посторонних включений и структуры материалов. В дальнейшем этот опыт подхватили ученые других стран, и метод получил распространение, став обязательным для многих отраслей промышленности.

Ультразвуковой метод контроля металла основан на физическом законе о неизменности траектории перемещения звуковых волн при условии однородности среды. Суть заключается в выявлении повреждений материала через излучение и принятие колебаний УЗ при отражении от дефекта, анализе амплитуды колебаний, времени возвращений, формы и других параметров.

Для анализа в материале при помощи дефектоскопа и преобразователей с пьезоэлементом создают высокочастотные колебания (свыше 20 кГц). Если изъянов нет — колебания не встречают препятствий и не имеют отражения. Если же присутствуют неоднородности (например, трещины, пустоты или другие включения), приемник зарегистрирует сигналы отражения от них.

Время распространения волны указывает на глубину расположения дефекта, а амплитуда отражения импульса — на размер неоднородности.

Свойства ультразвука и важность состояния диагностируемой поверхности

Ультразвук проверяет материал, не разрушая его структуры.

Свойства ультразвука
Ультразвуковой контроль — один из основных в дефектоскопии.

При дефектоскопии учитывается длина колебаний — она прямо пропорциональна разрешающей способности и чувствительности и обратно пропорциональна энергии колебаний. Оптимальный показатель — 0,5-10 МГц.

Корректность результатов измерения зависит от состояния диагностируемой поверхности. Необходим свободный доступ ко всем измеряемым участкам для свободного прохождения волн ультразвука через объект. На поверхности не должно быть инородных тел (масла, смазки, грязи, ворсинок, брызг металла, сварочного флюса и т.д.)

Для подготовки поверхности необходимо:

  1. Зачистить лакокрасочное покрытие и ржавчину на расстоянии 5-7 см.
  2. Обработать материал трансформаторным, турбинным или машинным маслом.
  3. Устранить воздушные зазоры нанесением контактной жидкости (можно использовать воду, масло или глицерин)
  4. Создать шероховатость поверхности выше или равную классу 5 (при использовании пьезоэлектрического преобразователя).

Если на поверхности есть постороннее покрытие, которое невозможно удалить, нужно обеспечить полное прилипание к материалу.

Источники ультразвуковых волн

Во время анализа УЗ-колебания в объекте создают несколькими способами. Чаще с использованием пьезоэлектрического эффекта. Преобразователь создает ультразвуковое излучение, которое далее переводит электрические колебания в акустические. При переходе через измеряемую среду эти колебания оказываются на приемной пьезопластине преобразователя, а после снова становятся электрическими. Это фиксируют измерительные цепи. При этом пьезопластины могут выступать в роли только приемника или только излучателя, а также совмещать в себе функции того и другого.

Источники ультразвуковых волн
Пьезоэлемент является источником ультразвуковых волн.

Критические углы

При выполнении ультразвукового контроля оператору нужно выбрать тип преобразователя, выполнить калибровку и настройку прибора на предполагаемые дефекты объекта. Критические углы падения (продольные и поперечные) необходимо учитывать в том случае, когда ультразвук проходит через твердые поверхности материалов.

Первый критический угол — это наименьший угол падения продольной волны, при котором преломленный луч не пересекает границу второй твердой среды. Например, для границы оргстекло-сталь он равен 27,5º.

Вторым критическим углом считают наименьший угол падения продольного луча, при котором преломление не проникает через границу во вторую твердую среду и при этом не обнаруживаются внутренние повреждения. Для оргстекла-стали он составляет 57,5º.

Третий критический угол — наименьший угол падения поперечного луча, при котором отсутствует отраженная продольная волна. Луч идет по поверхности объекта, не распознавая дефектов внутри него. Для пересечения границы сталь-воздух угол равен 33,3º.

Методы дефектоскопии ультразвуком

Выделяет 4 основных метода:

  1. Теневой. Используют 2 преобразователя: первый (излучатель) создает на границе двух сред акустические колебания, второй (приемник) их фиксирует. Обязательное условие при этом — расположение второго преобразователя точно в направлении волны, создаваемой излучателем. При столкновении с повреждением колебания пропадают. Выявленная глухая область обозначает расположение повреждений на материале.
  2. Зеркально-теневой. Близок по принципу к теневому, но предполагает расположение преобразователей на одной поверхности сварочного соединения. При этом фиксируется поток, отраженный от второй поверхности. Повреждение в материале определяется пропаданием отраженных колебаний.
  3. Эхо-зеркальный. 2 преобразователя находятся на одной стороне соединения. Созданные УЗ-колебания регистрируются в момент отражения от препятствия.
  4. Эхо-импульсный. Предполагает наличие одного преобразователя, выступающего в роли и источника, и приемника. Акустическая волна направляется на сварное соединение, фиксируя отражение от инородного тела.
Методы дефектоскопии
Методы и схемы контроля дефектоскопии.

Сравнение и выбор лучшего

Выбор метода зависит от характеристик тестируемого материала, условий проведения (стационарные тесты или анализ в процессе работы) и выбирается индивидуально.

Возможности ультразвуковой диагностики

Метод УЗ позволяет:

  1. Фиксировать дефекты внутри (под поверхностью) материала, не нарушая при этом его целостности.
  2. Находить очаги поражения коррозией.
  3. Выявлять посторонние вкрапления и неоднородности в структуре.
  4. Определять расположение и размеры изъянов.
  5. Оценивать состояние соединений в материале.

Анализ применяется в промышленности:

  1. Проверка стержней (из пластика и металла), труб на наличие пористости, трещин и пустот.
  2. УЗК сварных швов высокочастотным датчиком.
  3. Обнаружение пустот в элементах, измерение толщины стенок деталей.
  4. При работе с композитами и стекловолокном обнаружение их повреждения или отслоения при ударе.
  5. Проверка адгезивных соединений после пайки (если есть доступ к поверхности).
Возможности
Дефектоскопия обеспечивает ультразвуковой контроль качества сварных соединений.

Повышение точности результатов

Добиться точности, качества и достоверности результатов можно, влияя на:

  1. Состояние поверхности: чистота, шероховатость, профиль.
  2. Геометрию: не параллельность, кривизна.
  3. Выбор контрольного, настроечного образца.
  4. Выбор метода и оборудования.
  5. Настройку УЗ-преобразователей и дефектоскопа.
  6. Установку технических параметров (скорость распространения звука).

Для каких объектов применимо

Метод УЗК используют на производствах нефти и газа, в отраслях крупной промышленности, в атомной энергетике и т.д. В металлургии, например, ультразвуковую дефектоскопию применяют при обработке литья и поковок. В авиастроении — для диагностики полимеров и композитов на наличие трещин, непроклеев и т.д.

Метод УЗК
Ультразвуковую дефектоскопию применяют на производствах нефти и газа.

В металлургии контролю подвергают листовую сталь, которую широко используют при строительстве автодорожных и железнодорожных мостов, в гражданском и промышленном строительстве зданий и сооружений, требующих повышенной прочности и надежности.

В литейном производстве метод позволяет видеть в структуре черных и цветных металлов пустоты, пористость, включения и трещины. Также возможно измерить толщину изделия, например пустотелых отливок сложной формы, без нарушения его целостности в производстве автомобильных двигателей.

В строительстве для оценки состояния бетонных конструкций важно проверить фактическую прочность на соответствие проектным требованиям. Ведется проверка факторов, влияющих на эксплуатационные свойства бетона и арматуры. Метод УЗ дает возможность работы не только в лабораторных условиях, но и на строительной площадке.

При контроле сварных соединений и наплавок оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок УЗ метод является единственным решением.

Это объясняется использованием нержавеющих, аустенитных крупнозернистых сталей в конструкциях атомных реакторов и резервуаров.

Для труб

Дефектоскопия применяется на магистральных и технологических трубопроводах. Благодаря этой процедуре небольшие дефекты и трещины на трубах, появляющиеся со временем естественным путем, не перерастают в проблемы, угрожающие безопасности и требующие вывода магистральных систем из рабочего состояния.

Для труб
Метод ультразвуковой дефектоскопии сварных швов применяется для трубопроводов.

Применение УЗ-дефектоскопии позволяет обнаружить такие повреждения труб:

  • низкий уровень герметичности (или ее отсутствие);
  • потерю контроля состояния напряженности;
  • деформацию и разгерметизацию сварных стыков.

Для свайных конструкций и рельсов

Диагностика сварных соединений незаменима для выявления трещин в подошве или головке рельс, для обнаружения дефектов стыка. Метод может применяться стационарно (на рельсосварочном предприятии) либо в полевых условиях. Для УЗК свай и сварочных швов используют дефектоскопы со специальными характеристиками — высокой устойчивостью к влажности, рабочей температурой до +35ºС (без образования влаги). При этом измерительные приборы нуждаются в постоянной защите от воздействий пыли.

Для рельсов
Ультразвуковая дефектоскопия остается актуальной для выявления трещин на рельсах.

Диагностика свай — необходимый этап в строительстве, на котором проверяют и фиксируют прочность бетонного основания и плотность заливки буронабивных свай. Во время проверки приемник с излучателем устанавливают на нижней точке сваи, фиксируют полученные сигналы, потом датчик перемещают на следующую точку.

Ультразвуковой метод контроля сварных швов показывает изъяны с высокой точностью и при этом не нарушает целостность несущих конструкций.

Для прочих деталей

Дефектоскопии подвергают материал во время технических освидетельствований и обследований, металл проверяют на входе и выходе. Метод применяют для проверки промышленной безопасности сосудов под давлением, корпусов насосов, арматуры, теплообменников, печей и т.д.

Плюсы и минусы диагностики ультразвуком

Главным достоинством метода является то, что он относится к неразрушающему контролю. Исследуемый объект не выводится из эксплуатации, не подвергается разборке, взятию образцов, не требует других дорогостоящих действий.

Дефектоскопия позволяет предотвратить и своевременно устранить возможные разрушения сложных агрегатов и конструкций.

Другие преимущества УЗД:

  1. Метод доступен для работы с металлическими материалами и неметаллами.
  2. Точность в определении положения дефекта и оценке его размера и формы.
  3. Высокая скорость исследования.
  4. Низкая цена работ.
  5. Безопасность для здоровья (меньший вред в сравнении с работой рентгена).
  6. Мобильность, т.е. работа в полевых условиях.
Плюсы диагностики
Ультразвуковая дефектоскопия позволяет предотвратить возможные разрушения.

Недостатки диагностики ультразвуком:

  1. Нужна предварительная подготовка поверхности.
  2. Не поддаются проверке грубые материалы, детали неправильной формы, слишком маленькие или тонкие.
  3. Невозможна работа с чугуном и крупнозернистыми материалами (из-за высокого уровня шума и низкого уровня звука).
  4. УЗД может не определить повреждения, ориентированные параллельно звуковому лучу.

Необходимое оборудование для проведения дефектоскопии

Для ультразвуковой диагностики применяют дефектоскоп, преобразователь со встроенным пьезоэлементом (рассчитанным на излучение и/или прием ультразвуковых колебаний) и дополнительные приспособления.

УЗ-преобразователи бывают 3 типов:

  1. Прямые: излучение продольных волн под прямым углом к проверяемой поверхности. Могут иметь керамический пьезоэлемент (из титаната бария или цирконат-титаната свинца). В моделях зарубежных брендов используется кварц — он имеет сравнительно невысокую чувствительность, что обеспечивает равномерное излучение и стабильную работу.
  2. Наклонные (или призматические): излучение поперечных волн в металл под углом к поверхности ввода. Осуществляют вертикальное сканирование деталей, используются в случаях, когда установить преобразователь непосредственно на поверхности материала не представляется возможным (например, в угловых соединениях, в конструкциях со сложным профилем).
  3. Раздельно-совмещенные: поступление продольных волн в металл под углом 80-85º к поверхности ввода. Имеют 2 пьезоклапана, один из которых является генератором, а второй — приемником. Подходят для работы с грубыми материалами, деформированными поверхностями.
Оборудование
Дефектоскоп — устройство для обнаружения трещин в изделиях.

Главная составляющая преобразователя — пьезоэлемент в форме прямоугольной пластины или диска. Толщина пьезоэлемента составляет половину длины излучаемых волн. В прямых и наклонных преобразователях пьезоэлемент выступает в качестве излучателя и приемника УЗ-колебаний одновременно.

Схема устройства дефектоскопа

Дефектоскоп — это электронный блок для преобразования и усиления эхо-сигналов при отражении от дефекта, создания зондирующих импульсов высокого напряжения и наглядного отображения амплитудно-временных характеристик эхо-сигналов.

Встроенный переключатель предусмотрен для непосредственного подключения усилителя к генератору радиоимпульсов или отключения от него (в зависимости от схемы работы). Автоматический сигнализатор фиксирует дефект звуковым или световым сигналом.

Схема
Схема дефектоскопа.

Аппарат может иметь дополнительные блоки, расширяющие функции устройства и упрощающие работу оператора. К ним относится блок временной регулировки чувствительности, создающий одинаковую амплитуду сигналов при обнаружении деформаций разных размеров. Это повышает точность измерений.

Примерная стоимость дефектоскопа и других инструментов

Диапазон цен на дефектоскопы широк — от 90 000 до 2 500 000 руб. Стоимость зависит от рабочих характеристик, марки и страны производителя, года выпуска. Различается цена стационарных (для исследований в лабораториях) и портативных (для полевых условий) моделей. Возможность подключения к ПК, объем встроенной памяти и совместимость с несколькими типами преобразователей также влияют на конечную стоимость. При выборе отталкиваться следует от планируемых задач и предположительной области применения.

По каким параметрам оценивается результат

Обнаруженный дефект оценивают по его условной протяженности, амплитуде звуковой волны, форме, длине и ширине.

Результат
Результат оценивается по амплитуде звуковой волны.

Минимально возможный (доступный для выявления) размер повреждения на материале определяет чувствительность УЗ-контроля.

Как обучают специалистов по ультразвуковой дефектоскопии

В соответствии с действующим законодательством, специалисты, работающие в сфере ультразвуковой дефектоскопии, проходят обязательное повышение квалификации с последующей аттестацией.

Она проводится с целью определения достаточной теоретической и практической подготовки сотрудников для выполнения одного и нескольких видов НК, умения на основании полученных результатов делать заключения об исследуемом объекте повышенной опасности в промышленности и строительстве.

Подготовкой и аттестацией специалистов занимаются специализированные научно-исследовательские центры. Они составляют учебные программы длительностью от 40 до 120 академических часов.

За это время изучают:

  1. Виды и методы ультразвуковой диагностики.
  2. Теоретические основы колебаний.
  3. Типы и свойства волн.
  4. Правила критических углов ввода.
  5. Источники УЗ-колебаний.
  6. Методы дефектоскопии сварочных швов и свай.
  7. Правила акустической дефектоскопии.
  8. Принцип работы приборов ультразвуковой проверки.

По окончании обучения сотрудники сдают экзамены, по итогам которых получают удостоверение утвержденного образца, где указывается квалификационный уровень — I, II или III. Специалисты I уровня обслуживают технику для неразрушающего контроля и составляют отчеты по итогам работ, II — занимаются работами на опасных объектах и дают заключения. Эксперты III уровня руководят процессом на всех стадиях его выполнения, им требуется дополнительное обучение по специально разработанным методикам.

Полученную квалификацию необходимо подтверждать каждые 3 года, сдавая при этом соответствующие экзамены.

Кратко о других методах дефектоскопии

Капиллярный (жидкостный) метод предполагает выявление дефектов на поверхности металлов. Перед диагностикой детали очищаются, чтобы краситель попадал беспрепятственно. На материал наносят пенетрант, удаляют избытки и вводят проявитель, который при специальном освещении обнаруживает разрушения поверхности. Жидкостный метод прост в исполнении, но требует предварительной тщательной очистки поверхности. Автоматизировать это невозможно.

Вихретоковый контроль показывает повреждения внутри металла и на его поверхности с помощью электромагнитного поля. Вихревые токи текут по-разному в материалах с дефектами и без них. Диагностика вихревым током проводится за секунды, но применима только к металлам. Такие испытания требуют высокой квалификации операторов. Метод используют в авиационной и ядерной промышленности.

Контроль магнитными частицами обнаруживает повреждения на поверхности либо чуть ниже (работа на глубине материала невозможна). На материал наносят сухие или влажные магнитные частицы — они притягиваются к инородному телу, обозначая его форму и размер. После завершения диагностики деталь размагничивается. Этот метод подходит только для работы с ферромагнитными материалами. Для исследования требуется полное размагничивание детали, что затрудняет автоматизацию процесса.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector