основы_1. ndt[Основы УЗК]. Неразрушающий контроль материалов с помощью
 Скачать 4.97 Mb.
|
|
эхо от донной поверхности эхо от дефекта объект Рис. 20 а Несплошность рядом с противоположной стенкой объекта. дефект датчик эхо от донной поверхности эхо от дефекта объект Рис. 20б Несплошность близко с поверхностью. Метод определения расстояния до дефекта ранее описан - теперь встает проблема обнаружения несплошности. 4.2 Проблема обнаружения Итак, что же делать, когда небольшая несплошность расположена очень близко к поверхности объекта контроля, т.е. прямо под преобразователем? 12 Поскольку промежуточное эхо находится теперь внутри зондирующего импульса, и поэтому перекрывается им на экране прибора мы его увидеть не можем (Рис. 21). объект датчик дефект эхо от донной поверхности эхо от дефекта, скрытое зондирующим импульсом Рис. 21 Неопределяемая несплошность рядом с поверхностью Ключом к решению данной проблемы, в случае, когда несплошность достаточно большая, является падение амплитуды импульса от донной поверхности, т.к. несплошность затеняет значительную часть звукового луча (Рис. 22). Если подобный дефект также достаточно ровный и расположен параллельно поверхности, тогда возникает более или менее сформированная последовательность эхо- сигналов вызванная многочисленными отражениями между поверхностью и дефектом, Рис.23. дефект датчик донное эхо без с дефектом объект Рис. 22 Затенение донного эхо-сигнала большим близким к поверхности дефектом дефект объект датчик последовательность эхо-сигналов от дефекта Рис. 23 Эхо последовательность от близкого к поверхности дефекта В этом случае амплитуды эхо-сигналов тем меньше, чем больше расстояние. Чем больше плотность эхо-сигналов в направлении поверхности, тем больше эхо- сигналов из эхо - последовательности растворяется в зондирующем импульсе, это заставляет эхо становится еще более плотным. В таких случаях существует предел обнаружению. 13 Из всего вышесказанного мы видим, что наличие зондирующего импульса на экране не приветствуется, однако это техническая необходимость, ограничивающая возможность обнаружения дефектов, расположенных близко к поверхности. Дефекты в мертвой зоне (не- контролируемой области непосредственно около поверхности) не могут быть обнаружены, Рис. 24. Размер мертвой зоны зависит от преобразователя и прибора. Однако, он может быть сведен к минимуму соответствующим правильным их выбором. Мертвая зона Рис. 24 Мертвая зона - дисплей, объект контроля 4.3 Преобразователь Преобразователи, чьи лучи нормальны к поверхности, называют прямыми преобразователями, рис.25 и рис. 1а Рис.25 Прямые преобразователи Большинство стандартных прямых преобразователей передают и принимают продольные волны (волны давления). Колебания таких волн могут быть описаны с помощью сжатия и растяжения атомов, распространяющегося по материалу (газ, жидкость или твердое тело), рис. 26. Существует большой выбор таких преобразователей, различающихся размерами и излучаемыми частотами от 0.5 МГц до 25МГц. длина волны направление колебания направление распространения Рис. 26 Продольная волна Многообразие выбора позволяет подобрать индивидуальное соответствие характеристик преобразователя каждой поставленной задаче, даже в сложных условиях контроля. Мы уже упомянули об одном неудобстве использования прямых преобразователей, которое при определенных условиях может быть решающим: плохое обнаружение близко расположенных к поверхности дефектов из- за ширины зондирующего импульса. Преобразователи, чьи лучи выходят под углом к поверхности объекта, называют наклонными преобразователями, поскольку они передают и принимают звуковые волны под углом к поверхности объекта контроля, Рис. 1б и 27. Рис. 27 Наклонные преобразователи Большинство стандартных наклонных преобразователей передают и принимают, исходя из технических соображений, поперечные волны (сдвиговые волны). 14 длина волны направление колебания направление распространения Рис. 28 Поперечные волны При поперечных волнах атомы или молекулы колеблются вертикально к направлению распространения волны (рис. 28), в силу того, что возмущение достигается силой сдвига (перпендикулярной к силам распространения). Поперечные волны возникают только в твердых материалах и никогда в жидкостях или газах, т.к. эти вещества не обладают способностью передавать силы смещения. Скорость распространения поперечных волн несколько ниже, чем у продольных волн в том же материале. Быстрого ответа на то, почему наклонные преобразователи не передают продольные волны, не существует. В этом случае требуется детальное рассмотрение. 4.4 Преломление и преобразование моды Наклонные звуковые волны генерируются таким образом, чтобы они проникали под углом из преобразователя в объект контроля, рис.1б. Это легко достигается при приклеивании элемента на призму, которая обычно делается из оргстекла (плексигласа). Если продольная волна, под фиксированным углом падения (углом призмы), упадет на линию разделения плексиглас/сталь, то сначала волна разделится на отраженную и прошедшую волну, рис. 29а. Отраженные волны подчиняются закону отражения (угол падения = углу отражения), а прошедшие волны - закону преломления (закону Снелла): 2 1 sin sin c c = β α , где α - угол падения; β - угол преломления; с1 - скорость звука в веществе 1; с2 - скорость звука в веществе 2. падающая волна отраженная волна вещество 1 вещество 1 вещество 2 преломленная волна Пр Пр Пр Рис. 29а Преломление и отражение при отсутствии поперечных волн Кроме того, в точке падения луча, наблюдается появление и поперечных волн, Рис. 29б. Это явление наблюдается как при отражении, так и при преломлении. Благодаря тому факту, что поперечные волны распространяются с вдвое меньшей звуковой скоростью, чем продольные, другие направления распространения волн автоматически следуют закону преломления, т.е. с углами отражения и преломления. падающая волна отраженная волна преломленная волна вещество 1 вещество 2 Пр Пр Пр Пп Пп Рис. 29б Преломление и отражение с наличием поперечных волн 15 Если, при сканировании наклонным преобразователем, это явление будет неучтено, тогда расчет расположения и оценка несплошности во многих случаях невозможна. Обнаружение дефекта также становится под вопрос, т.к. одно эхо на дисплее ведет к двум различным место- положениям отражателя, в зависимости от того какие волны (продольные или поперечные) взять за основу, рис. 30. Но где же тогда несплошность? Однозначный ответ может быть дан оператором, только когда один из типов волн не возникает. Это, несомненно, предварительное условие для универсального применения наклонных преобразователей. возможное расположение дефекта Пр Пп Рис. 30 Анализ: один эхо-сигнал - два возможных расположения С дальнейшим увеличением угла падения луча на границу раздела оргстекло/сталь угол отражения также становится больше, и наконец, при угле падения 27.5°(1-й критический угол), продольная волна будет преломляться под углом 90°. Это означает, что она пойдет вдоль поверхности, пока поперечная волна будет передаваться в объект контроля, Рис. 31а. падающая волна отраженная волна Пр Пр Пп плексиглас сталь преломленные волны Рис. 31а Преломление: 1-й критический угол Наше предварительное условие для однозначной оценки отраженного сигнала выполнено: теперь только одна звуковая волна проходит в объект контроля - это поперечная волна с углом преломления 33.3° (для границы огстекло/сталь). С дальнейшим увеличеснием угла падения могут быть установлены различные углы преломления поперечной волны (= угол луча), например 45°, Рис. 31б. Наконец, при угле падения около 57° (2-й критический угол), поперечная волна, будет преломляться под углом 90° и распространяться вдоль поверхности объекта, т.е. тоже став поверхностной волной, Рис. 31в. Это предел, за которым звуковые волны более не могут быть переданы в объект контроля. С данного момента начинается полное отражение, Рис. 31г. падающая волна плексиглас сталь Пр Пп отраженная волна преломленная поперечная волна Рис. 31б Преломление: поперечная волна под углом 45 ° 16 падающая волна отраженная волна плексиглас сталь поверхностная волна 57 90 Пр Пп Рис. 31в Преломление: 2-й критический угол, поверхностная волна падающая волна плексиглас сталь отраженная волна полное отражение Пр Рис. 31г Полное отражение Зона в которой угол падения находится между 1-м и 2-м критическими углами (27.5° - 57°) дает нам анализируемую звуковую волну в объекте контроля (стальном), при угле преломления поперечной волны между 33.3° и 90°, рис.32. Пр Пп Рис. 32 Используемый диапазон для наклонных преобразователей и объекта контроля из стали. 4.5 Характеристики наклонных преобразователей С учетом того, что контроль стальных изделий наиболее распространен, наклонные преобразователи конструируются так, чтобы оптимально подходить для контроля этого материала. Наиболее часто используются преобразователи с углами в 35°, 45°, 60°, 70°, 80° (за рубежом) и 40°, 50°, 65°, 70° (в России и странах СНГ) и 90° (поверхностные волны). В отношении частоты, наклонные преобразователи не имеют такого большого разнообразия как прямые. Это происходит, прежде всего, вследствие того, что высокочастотные поперечные волны в нелегированных мелкозернистых сталях имеют большое затухание. Когда звуковая энергия волн проходит через материал она настолько сильно поглощается и рассеивается, что даже относительно малые объекты не могут быть проконтролированы с достаточной чувствительностью. Если дефект должен быть обнаружен на большой глубине от поверхности, тогда необходимо использовать преобразователи с большими размерами кристаллов и низкой частотой. Например, дефект размером 2мм в низколегированной мелкозернистой стали, при использовании преобразователя на 2 МГц с большим кристаллом, может быть обнаружен на расстоянии до 700мм. Поскольку зондирующий импульс смещен далеко влево из-за введения задержки (призмы) - результат решения задачи контроля может быть более удачным, чем при использовании прямых преобразователей. Хотя, задний фронт зондирующего импульса может иногда все же перекрывать эхо от близко расположенных к поверхности дефектов. На рис. 33 показано обнаружении отверстия глубиной 1мм. 17 Рис. 33 Сканирование перпендикулярного отверстия d1мм и глубиной 1мм. 4.6 Раздельно-совмещенный преобразователь Если вы хотите получить хорошие результаты при использовании прямого преобразователя, то необходимо использовать раздельно-совмещенный преобразователь - РС преобразователь, Рис. 34. передатчик приемник акустический барьер демпфер задержка кристалл Рис. 34 РС преобразователь Преобразователь содержит два электрически и акустически независимых пьезокристалла в едином корпусе. Кроме того, оба элемента используют большую задержку (призму из плексигласа) и слегка наклонены по отношению друг к другу. Соединение РС преобразователя с прибором выполнено в приемо-передающем режиме, т.е. один элемент соединен с передатчиком, а второй с принимающим усилителем. Зондирующий импульс смещен влево, из-за большой задержки, Рис.35. объект зондирующий импульс РС датчик Рис. 35 Использование РС преобразователя - экран с донным эхо- сигналом. Переотражения внутри периода задержки передатчика не мешают контролю, т.к. передатчик не имеет функции приема. Эхо выводится на экран только тогда, когда звуковой импульс предается от объекта на принимающую часть преобразователя. Полное электрическое и акустическое разделение, по техническим причинам, невозможно. В частности, грубая поверхность объекта может быть причиной того, что определенные составляющие звука могут передаваться напрямую из передатчика в приемник. Они генерируют сигнал помехи на дисплее, называемый эхо- сигналом взаимных помех. Взаимные помехи перекрывают близкую к поверхности область объекта контроля, и вновь это снижает чувствительность контроля, особенно для малых дефектов. Однако, большинство взаимных помех столь малы и незначительны, что они могут быть вполне отделены от возможного эхо-сигнала от дефекта, Рис.36. 18 дефект РС датчик эхо взаимных помех зондирующий импульс эхо от дефекта Рис. 36 РС преобразователь: эхо от дефекта и эхо от взаимных помех В связи с этим, РС преобразователи идеально подходят для обнаружения близких к поверхности дефектов и измерения толщины тонких объектов контроля. Они гораздо менее чувствительны к плохому контакту с поверхностью объекта контроля, вызванному, например, большой шероховатостью или неровностью поверхности материала. Данное их свойство является определяющим при использовании их в химической и энергетической промышленности: они идеально подходят для контроля всех типов труб и контейнеров, для определения неоднородностей в стенках труб, а также для измерения внутренней коррозии и остаточной толщины стенок труб. Специальные высокотемпературные преобразователи способны измерять толщину стенок объекта контроля при температуре до 550°C, так что, установка может контролироваться во время ее работы. 5. Определение местоположения несплошности 5.1 Калибровка инструмента Расположение несплошности может быть без труда определено по ее эхо- сигналу если инструмент правильно откалиброван. Калибровка означает проверку показаний прибора при контроле объекта с заранее известным параметром контроля. Например, для примитивного прибора со шкалой: нулевая точка шкалы соответствует поверхности контролируемого объекта, а 10-я градуировка шкалы - максимальному расстоянию, например 100 мм стали, 10мм алюминия, 25мм стекла и т.д. При калибровке учет материала имеет огромную роль, т.к. путь эхо-синала (s), рассчитывается исходя из времени (t) прохождения импульса и скорости звука (с) в данном материале - по следующей формуле: ,где s = расстояние до отражающей поверхности [мм]; с = скорость звука [км/с]; t = время прохождения импульса [ с]. Знание этой связи является очень важным для оператора: но не обязательным для процесса калибровки. Правило гласит: используйте кусок известного материала с известными размерами. При установке преобразователя на поверхность объекта с известной толщиной s на экране возникает последовательность эхо-сигналов, Рис.37. Толщина объекта соответствует пути, пройденному звуковой волной, например, для прямых преобразователей он пропорционален толщине объекта s , поэтому: 1-е эхо = s, 2-е эхо = 2s, 3-е эхо = 3s, и тд. 19 Рис. 37 Последовательность эхо-импульсов на экране дефектоскопа Вышеупомянутый кусок материала используемый для калибровки называется Образцом или Стандартным Образцом, если он стандартизирован. Калибровку различных дефектоскопов в соответствии с их руководством по эксплуатации обычно проводят по российским (СО-1, СО-2 или СО-3 (СО-3Р)) или зарубежным (V1, V2, VW и пр) образцам. 5.2 Определение дефектов с наклонными преобразователями Эхо-сигнал от несплошности на экране прибора не дает прямой информации о ее расположении в материале. Единственная, доступная для оценки информация - это положение сигнала на шкале, т.е. звуковой путь s - дистанция от точки входа звуковой волны в объект до неоднородности, Рис. 38 s = звуковой путь k = масштабный коэффициент T = показания экрана объект отражатель Рис. 53 Сканирование отражателя с использованием наклонного преобразователя Математический расчет прямоугольного треугольника позволяет вычислить поверхностное расстояние и глубину отражателя, которые оба важны для ультразвукового контроля, Рис. 39а точка входа волны точка проекции "треугольник дефекта" расположение дефекта угол датчика звуковой путь поверхностная дистанция глубина Рис. 39а Треугольник дефекта Таким образом, мы имеем возможность отметить позицию дефекта на поверхности отмерив поверхностное расстояние от точки входа волны и узнать глубину дефекта. По практическим соображениям, используется уменьшенное поверхностное расстояние, т.к. оно отмеряется от переднего края преобразователя. Разница в этих величинах соответствует стреле преобразователя, т.е. расстоянию от точки входа звуковой волны до края корпуса преобразователя, рис. 39б. объект отражатель поверхностное расстояние уменьшенное поверх. расст. стрела преобразователя Рис. 39б Уменьшенное поверхностное расстояние и стрела. С помощью ультразвукового прибора с цифровой обработкой сигнала подобные вычисления выполняются встроенным микропроцессором и немедленно высвечиваются на дисплее, так, что оператору нет необходимости выполнять вышеописанные вычисления, рис.40 20 Рис.55 Прибор USN 50: обнаружение отверстия датчиком MWB 60-4E Это особенно заметно при контроле сварных соединений, поскольку при вычислении глубины залегания дефекта должен быть принят во внимания дополнительный фактор, а именно: были ли звуковые волны отражены от противоположной стенки. Если дело обстоит именно так, тогда глубина залегания дефекта должна рассчитываться по специальной формуле, иначе она будет больше, чем толщина T объекта контроля. очевидная глубина очевидное положение дефекта Рис. 41а Очевидная глубина Оператор должен распознать пришел ли сигнал от противоположной стенки, и только тогда производить вычисление глубины залегания, рис. 41б. Рис. 41б Действительная глубина дефекта после отражения звука |