XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

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

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.

Приведенный краткий обзор во введении показывают актуальность данной темы для современной науки и техники. Таким образом, целью данной работы является провести глубокий анализ использования системы ультразвукового контроля металлоизделий.

Для достижения поставленной цели рассмотрим следующие задачи:

- принцип работы ультразвукового контроля;

- разновидности УЗК;

- порядок проведения УЗК;

- области использования дефектоскопии;

- необходимое оборудование для проведения дефектоскопии.

1 Понятие и применение ультразвукового метода контроля

УЗК (ультразвуковой метод контроля), который часто называют дефектоскопией – современная диагностическая методика, отличающаяся высокой точностью по сравнению с рентгенодефектоскопией, радио-дефектоскопией и т. д. Она позволяет выявлять широкий спектр дефектов, а также получать достоверные данные о месторасположении, характеристиках и размерах дефектов.

Технология ультразвукового контроля используется производством, промышленностью с момента развития радиотехнического процесса. Эффект и устройство технологии в том, что ультразвуковые волны акустического типа не меняют прямолинейную траекторию движения при прохождении однородной среды. Ультразвуковой метод используется также при проверке металлов и соединений, имеющих различную структуру. Такие случаи подразумевают, что происходит частичный процесс отражения волн, зависит от химических свойств металлов, чем больше сопротивление звуковых волн, тем сильнее воздействует эффект отражения.

Дефектоскопия или ультразвуковой контроль не разрушают соединения по структуре. Технология проведения ультразвуковой диагностики включает поиск структур, не отвечающих по химическим или физическим свойствам показателям, любые отклонения считаются дефектом. Показания колебаний рассчитываются по формуле , где L - описывает длину волны, c - cкорость ультразвука в веществе, f - частота колебаний. Определение дефекта происходит по амплитуде отраженной волны, тем самым возможно вычислить размер недочета.

Принцип УЗК

Ультразвуковая диагностика основывается на том, что колебания с высокой частотой (выше 20 кГц) способны проникать в металл, не нарушая его структуры, и отражаться от дефектов. Узконаправленная волна, создаваемая дефектоскопом, проходит сквозь проверяемое изделие. При наличии дефекта она распространяется с отклонениями, которые можно зафиксировать на экране прибора. Показания, полученные в ходе УЗК, позволяют узнать информацию о характере выявленного дефекта. Размер дефектного образования устанавливается по амплитуде отраженного импульса, расстояние до него определяется по вреени распространения акустической волны.

Свойства и получение УЗК

Практически все приборы, которыми осуществляется ультразвуковая дефектоскопия, устроены по аналогичному принципу. Состоящая из титана бария или кварца пластина является основным рабочим элементом устройства. В призматической головке, которая отвечает за поиск дефектов, расположен пьезодатчик прибора.

Головка (щуп) размещается вдоль соединений и медленно перемещается посредством возвратно-поступательных движений. К пластине подается высокочастотный ток в пределах 0,8-2,5 Мгц и в результате она перпендикулярно своей длине начинает излучение волн. Исходящие волны воспринимаются другой принимающей пластиной, где они преобразуются в электрический переменный ток, который мгновенно отклоняет волну на мониторе осциллографа. Датчик отправляет разные по длительности переменные импульсы колебаний, разделяя их на паузы с большей продолжительностью от 1 до 5 мкс. Такой процесс позволяет безошибочно провести контроль УЗК сварных швов, определить наличие дефектов, их тип и глубину залегания.

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.

Углы направления ультразвуковых колебаний

На границе разделения двух сред, результатом падения продольной акустической волны при наклонном типе является появление отражения и трансформации ультразвуковых волн. Существуют основные типы контроля:

- отраженные;

- преломлённые;

- сдвиговые поперечные;

- продольные волны.

Процесс происходит путем разделения падающей под углом волны на поперечную и продольную, распространение которых производится непосредственно материалом.

Существует определенное значение угла подачи, направления ультразвуковых колебаний, при нарушении которого, ультразвуковой контроль не будет распространяться вглубь металла, а останется на его поверхности. 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.

2 Разновидности УЗК

Сегодня в промышленной сфере используют четыре основных методики выполнения ультразвукового метода неразрушающего контроля. Их отличия заключаются в способах, применяемых для получения и оценки информации о дефектах:

- Импульсный эхо-метод. В ходе диагностики ультразвуковую волну направляют на контролируемую область, а отражённый от дефекта сигнал регистрируют. Отражение происходит посредством его отсвечивания от поврежденных участков. Если волны проходят прямо и без препятствий, то такой участок сварочного стыка считается качественным. Когда имеет место отражение и волна возвращается к прибору, то этот участок обозначается бракованным. Эхо-метод предполагает использование одного преобразователя в качестве как приёмника, так и источника волны.

- Теневая методика. По разные стороны от контролируемой зоны устанавливают два преобразователя. Один из них формирует УЗ-волну, а второй регистрирует отражённый сигнал. При использовании теневого метода о наличии дефекта можно говорить в случае исчезновения УЗ-колебаний. В потоке возникает «глухая зона». Она говорит о том, что в этом месте сигнал не смог пройти из-за дефекта.

- Зеркальный эхо-метод. В этом случае оба преобразователя устанавливаются на одной стороне. Первый прибор формирует УЗ-колебания, которые отражаются от неровности, а второй регистрирует их. Данный метод особенно эффективен, если необходимо найти дефекты, расположенные под прямым углом относительно поверхности исследуемого изделия (трещины и пр.).

- Зеркально-теневая методика. По сути – это теневой метод. Однако приборы размещаются на одной стороне, посылаются косые волны.В ходе дефектоскопии оператор регистрирует не прямой, а отражённый от второй поверхности контролируемой зоны поток УЗ-волн. О наличии дефекта говорят «глухие зоны» в отражённых колебаниях.

- В основе дельта метода ультразвукового контроля происходит излучение дефектом направленных отражений внутрь сварного шва. Волны разделяются на подкатегории зеркальных, трансформируемых, продольных и поперечных, приемником удается поймать не все типа волн. Метод не славится популярностью, т.к. требует настройки оборудования, продолжительной расшифровки результатов. Также при контроле дельта методом предъявляются жесткие требования по качеству очистки сварного соединения.

Наиболее популярными являются теневой и эхо – импульсный методы, остальные реже ввиду требуемой настройки оборудования и неудобного использования инструментов.

Возможности применения технологииУЗК

Проведение ультразвукового контроля сварных соединений обеспечивает достаточно точные результаты и при соблюдении технологии можетпредоставить исчерпывающую информацию в отношении любых дефектов. Но здесь следует понимать, что существуют определенные границы применения методики.

Дефекты, которые можно обнаружить методикой УЗК следующие:

- поры;

- непроваренные участки;

- трещины в швах и возле них;

- несплавления соединений;

- расслоения наплавленного материала;

- наличие свищей;

- провисание металла в нижних участках стыка;

коррозионные образования;

- участки, на которых нарушены геометрические размеры или присутствует несоответствие химического состава.

УЗК сварных соединений осуществлять можно на конструкциях из легированной и аустенитной стали, меди, чугуна и металлов, которые ультразвук проводят плохо.

Геометрические параметры проведения УЗ-дефектоскопии:

- не более 10 метров составляет наибольшая глубина залегания шва;

- при минимальной толщине металла 3-4 мм;

- в зависимости от прибора наименьшая толщина шва должна быть в пределах 8-10 мм;

- 500-800 мм - максимальная толщина металла.

Что касается видов соединений, то сварка под УЗК предполагает выполнение продольных, плоских, сварных, кольцевых, тавровых стыков. Также применяют методику для сварных труб.

3 Порядок проведения УЗК

Существует определенный стандарт, согласно которому должен проводится ультразвуковой контроль сварных соединений трубопроводов или других металлоконструкций. Порядок выполнения контрольных операций следующий:

- Визуальный осмотр. Оператор перед проведением дефектоскопии осматривает прокат на предмет видимых повреждений.
- Выбор характеристик и методов контроля.В зависимости от класса заготовки выбирается метод выполнения УЗК.

- Подготовка поверхности.С поверхности удаляют остатки шлака, лакокрасочных покрытий, крупные неровности и следы коррозии. Зона выполнения УЗК покрывается специальным составом, включающим воду, минеральные масла или особые густые клейстеры. Это даёт ультразвуковым сигналам возможность проникать внутрь металлического листа без препятствий.

- тщательное очищение стыковых соединений от ржавчины, лакокрасочных покрытий не менее чем на 50-70 мм с обеих сторон шва;

- поверхность стыка и металла возле него обрабатывается машинным, турбинным, трансформаторным маслом, глицерином или солидолом. Такая обработка необходима для получения более точных результатов проверки;

- Подготовка оборудования. В зависимости от выбранного метода выполнения УЗК мастер размещает, подключает и настраивает приборы.

- проверочный прибор настраивается в соответствии характерных конкретному типу УЗК параметров. При толщине исследуемого материала до 2 см применяются стандартные настройки, АРД-диаграммы настраиваются если толщина превышает 2 см. Для проверки качества используются DGS или AVG-диаграммы;

-  Проведение дефектоскопии. Оператор медленно сканирует металлический лист. При возникновении сигналов от дефектов подбирается контрольный уровень чувствительности. Все данные фиксируются оператором.

- зигзагообразными движениями вдоль сварочного шва перемещается излучатель прибора, поворачиваясь на 10-15 вокруг собственной оси;

- искатель перемещается по материалу до того момента, пока не появится устойчивый, максимально четкий сигнал. После этого устройство разворачивается и осуществляется поиск сигнала наивысшей амплитуды.
- Подготовка результатов. Информация о найденных дефектах заносится в специальный журнал. Также на основании полученных данных определяется качество стального листа в зависимости от требований, которые к нему предъявляются.

Часто колебания отражения волн воспринимают за дефекты, поэтому этот момент необходимо тщательно проверить. Если действительно имеет место повреждение, то оно фиксируется с обозначением места локализации.

Проверка сварных швов ультразвуком должна осуществляться согласно установленных ГОСТом требований. Если с точностью определить характер дефекта с помощью УКЗ не получается, то в таких случаях проводят более детальные проверки с применением гамма-дефектоскопии или рентгенодефектоскопии.

4 Области использования дефектоскопии

Ультразвуковая проверка сварных швов активно применяется в промышленной, строительной и других сферах. Чаще всего контроль ультразвуком применяют:

- для аналитической диагностики агрегатов и узлов;

- дефектоскопия сварных швов трубопроводов проводится с целью определения их целостности и степени износа труб;

- в атомной и тепловой энергетике для контроля состояния сварных конструкций;

- в области машиностроения и химической промышленности;

- для проверки сварных стыков в изделиях со сложной конфигурацией;

- при необходимости проверить прочность соединений металлов с крупнозернистой структурой.

Применять УЗК можно как в лабораторных, так и в полевых условиях при нахождении стыков на высоте, в замкнутых пространствах и труднодоступных местах.

Достоинстваи недостатки УЗК

Ультразвуковой контроль сварных швов трубопроводов иди других типов металлоизделий обладает рядом преимущественных особенностей:

- высокая чувствительность оборудования обеспечивает точность результатов и скорость проведения проверок;

- удобность использования благодаря компактности приборов;

- возможность проведения выездной дефектоскопии, если для контроля использовать портативные измерительные устройства;

- минимальные затраты на осуществление контроля сварочных швов, что обусловлено невысокой стоимостью самих дефектоскопов;

- возможность проверять соединения с большой толщиной;

- УЗК не нарушает структуру шва и не повреждает исследуемый объект;

- практически все разновидности дефектов сварных швов можно установить посредством ультразвукового контроля;

- контролируемый объект не требуется выводить из эксплуатации, проверку сварочных соединений можно проводить непосредственно в процессе его работы;

- абсолютная безопасность для человека, что нельзя отнести, например, к рентгеновской дефектоскопии.

К недостаткам относят:

- крупнозернистые структуры толщиной более 60 мм сложно диагностировать, в связи с затуханием отражения, рассеиванием колебаний при контроле. Такие материалы обычно состоят из аустенита или чугуна.

-малые изделия, детали со сложными конструктивными особенностями не возможно подвергнуть проверке УЗД;

- сложный процесс оценки, проверки материалов из неоднородных сталей;

- расположение в структуре шва дефекта на различной глубине, не дает возможности точно определить диаметр, высоту неровности.

- необходимость предварительно перед установкой дефектоскопов очистить и подготовить поверхность шва.

5 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.

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.

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.

Заключение

В данной работе проведен аналитический обзор системы ультразвукового контроля металлоизделий.

Ультразвуковая проверка металлоизделий активно применяется как в промышленных, строительных, лабораторных условиях, так и в полевых условиях при нахождении стыков на высоте, в замкнутых пространствах и труднодоступных местах. Помимо многичесленных преимуществ УЗК существуют и недостатки его использования, но если соблюдать сроки проверок металлоизделий и сооружений, то это позволит своевременно устранить повреждения, продлить периоды и увеличить эффективность работы конструкции.

Список используемой литературы

Ультразвуковой контроль сварных соединений (УЗК). https://osvarka.com/shvy-i-soedineniya/ultrazvukovoy-kontrol-svarnykh-soedineniy-uzk (Дата обращения 24.10.2022)

Ультразвуковой метод контроля. https://areal-metal.ru/spravka/ultrazvukovoj-metod-kontrolya (Дата обращения 24.10.2022)

Ультразвуковой контроль: метод контроля сварных соединений, швов. https://sterbrust.tech/tehnologii/ultrazvukovojj-kontrol.html (Дата обращения 6.11.2022)

Ультразвуковая дефектоскопия: сфера применения, принцип. https://svarkaved.ru/o-svarke/kak-ispolzuetsya-ultrazvukovaya-defektoskopiya (Дата обращения 6.11.2022)

Ультразвуковой контроль: теория и практика. https://defektoskopist.ru/osnovi-nk/ultrazvukovoj-kontrol.27/ (Дата обращения 16.11.2022)

Код для цитирования: Скопировать