Ультразвуковой способ контроля конструкций

Ультразвуковой метод контроля

Принцип УЗК

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:

1. Импульсный эхо-метод. В ходе диагностики ультразвуковую волну направляют на контролируемую область, а отражённый от дефекта сигнал регистрируют. Эхо-метод предполагает использование одного преобразователя в качестве как приёмника, так и источника волны.

2. 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.

3. 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.).

4. Зеркально-теневая методика. По сути – это теневой метод. Однако приборы размещаются на одной стороне. 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.

Неразрушающаяся на первый взгляд конструкция может быть повреждена дефектами, которые возникают во внутренних структурах металла. Поэтому данные методики способны обеспечить безопасную эксплуатацию сооружений, возведённых их продуктов проката.

Выявляемые дефекты

Ультразвуковой неразрушающий контроль используется для выявления:

• воздушных пор и пустот;
• трещин;
• недопустимых утолщений;
• флокенов;
• зон крупнозернистости;
• отложений шлака;
• неоднородных химических вкраплений;
• ликвационных скоплений и так далее.

Все эти дефекты можно обнаружить в листовом металле. Использование контроля позволит удостовериться в отсутствии критических повреждений.

Преимущества ультразвукового метода контроля

• Доступная стоимость. УЗК обходится значительно дешевле, чем ряд других методов дефектоскопии;
• Безопасность. Ультразвуковое излучение не оказывает негативного влияния на оператора, проводящего исследование;
• Мобильность. Портативные аппараты для дефектоскопии позволяют проводить проверку на выезде. Это существенно расширяет сферы использования УЗК;
• Высокая точность. Высокая скорость и точность УЗК даёт возможность получать объективные данные о состоянии и о качестве листового металла без значительных погрешностей. Проверенные листы могут использоваться для создания прочных и неразрушающихся в течение долгого времени конструкций;
• Неразрушающее воздействие. Изделия сохраняются в своём первозданном виде, что позволяет избежать дополнительных финансовых затрат.

Основные минусы УЗК

Порядок выполнения УЗК

Порядок проведения дефектоскопии будет зависеть от класса металла, который нужно проверить, а также от требований, предъявляемых к нему. Образно можно разделить весь процесс на несколько этапов, это:

1. Визуальный осмотр. Оператор перед проведением дефектоскопии осматривает прокат на предмет видимых повреждений.

2. Выбор характеристик и методов контроля. В зависимости от класса заготовки выбирается метод выполнения УЗК.

3. 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.

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

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

6. 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.

Некоторые предприниматели, занимающиеся производством и реализацией листовой стали, игнорируют этап обязательного неразрушающего контроля. Это может обернуться массой негативных последствий. Листовой металл, не прошедший дефектоскопию, часто становится причиной аварий. Для создания прочных, ответственных и неразрушающихся конструкций он не годится. Поэтому лучше выполнить УЗК в профессиональной лаборатории. Если вас интересуют подобные услуги, обратитесь в ТД «Ареал». Наши специалисты обладают высокой квалификацией, а также оформляют все документы согласно установленным стандартам.

Источник

Ультразвуковой контроль – самый универсальный метод НК

Вся технология ультразвукового контроля (УЗК) построена на простом физическом законе: траектория движения звуковых волн в однородной среде остаётся неизменной. Подповерхностные дефекты являются отражателями УЗ-волн. При помощи дефектоскопа и пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) в материал вводятся упругие колебания с частотой более 20 кГц (чаще всего — от 0,5 до 10 МГц). Они исходят от излучателя, преломляются в призме (в наклонных ПЭП), входят в объект контроля (ОК), преломляясь ещё раз на границе раздела, и дальше отражаются от дефектов (если таковые имеются) либо донной поверхности (если таковых нет). По амплитуде и времени прихода эхо-сигнала можно судить о размерах и глубине залегания отражателя. Конечно, это очень грубое, упрощённое описание технологии. На деле возникают тысячи нюансов. Среди опытных дефектоскопистов есть даже такое выражение: чем больше знаешь УЗК, тем меньше знаешь УЗК.

Ультразвуковой метод контроля предполагает использование продольных, поперечных, нормальных, подповерхностных и головных волн. У первых — самая высокая скорость. Они генерируются прямыми и, реже, наклонными ПЭП. Поперечные волны могут создавать только наклонные искатели — совмещённые и раздельно-совмещённые. Они же могут применяться для контроля нормальными волнами (преимущественно для УЗК листов и прутков), поверхностными (контроль такими волнами подходит в качестве альтернативы ПВК и МПД) или головными (для выявления подповерхностных дефектов в основном металле и наплавках на глубине 2-8 мм).

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). Чем меньше длина волны — тем выше частота. Чем выше частота — тем выше чувствительность. При работе с толстостенными и крупнозернистыми материалами это чревато увеличением затухания, но об этом позже.

Для чего проводят ультразвуковой контроль

Данный метод НК позволяет:

• обнаруживать подповерхностные дефекты – поры, пустоты, расслоения в наплавленном металле, трещины, шлаковые и иные включения;
• 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, при определённых условиях, не требуется. Это особенно важно, например, для диагностики трубопроводов, когда нет возможности их дренировать. Правда, если речь идёт об ультразвуковом контроле трубопровода, заполненного рабочей средой, однократно (или двукратно) отражённым лучом, то при настройке необходимо погружать нижнюю грань настроечного образца в ту же жидкость.

В силу всех этих факторов 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, аустенитная сталь, титан, 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. Условная протяжённость, как правила, равна фактической протяжённости или, чаще всего, превышает её. С измерениями условной ширины и высоты сложнее — они коррелируют с реальными значениями ещё хуже. Именно поэтому ряд НТД не предусматривают определение условной ширины и высоты (тем не менее, данные результаты могут пригодиться для определения типа дефекта по коэффициенту отношения условной ширины к высоте и для классификации дефектов на развитые и не развитые по высоте). Данная проблема успешнее решена в технологиях ФР и TOFD, о которых написано ниже.

Ультразвуковой контроль сварных соединений: последовательность действий

1) зачистку металлической поверхности – сварного шва и околошовной зоны – от краски, ржавчины, окалины, загрязнений. После этого наносится разметка. При использовании мерительного пояса — обозначение начала и направление отсчёта координат. При его отсутствии — разделение на участки по 300-500 мм (если на ОК заложен РК — то лучше делать разметку сообразно с размером рентгеновской плёнки);

2) настройку чувствительности, амплитудной и временной шкалы дефектоскопа. Для начала — необходимо проверить (и при необходимости — скорректировать) точку выхода, стрелу, угол ввода, мёртвую зону, задержку в призме ПЭП. Затем необходимо правильно задать дефектоскопу параметры ОК — толщину, скорость распространения УЗ-волны, поправку на шероховатость и на затухание, выбрать единицу измерений для горизонтальной шкалы (обычно — в мм глубины). Далее — настроить временную регулировку чувствительности (для «выравнивания» эхо-сигналов от одинаковых отражателей на разной глубине) либо АРД-диаграммы (для определения эквивалентной площади отражателей). Задать опорный (браковочный уровень), поправку чувствительности (если таковая предусмотрена — в зависимости от того, по какому искусственному отражателю выполнялась настройка), выставить поисковое усиление, контрольный уровень (уровень фиксации) и браковочный уровень. Наконец, необходимо выставить усиление и масштаб развёртки, чтобы эхо-сигнал от опорного отражателя достигал 50-80% высоты экрана — кому как удобнее;

3) непосредственное прозвучивание объекта. Прижимая датчик к поверхности, оператор выполняет возвратно-поступательные поперечно-продольные либо продольно-поперечные движения с поворотом датчика на 10-15 градусов (для наклонного ПЭП) или вращением (для прямого ПЭП). В процессе прозвучивания нужно следить за тем, чтобы шаг перемещения пьезоэлектрического преобразователя не превышал 2-3 мм и не осталось пропущенных участков. Важно следить за осцилляциями сигналов на экране дефектоскопа — чтобы не пропустить эхо-сигналы, которые достигли контрольного уровня. Здесь-то и подтверждает свою полезность звуковая и световая АСД;

4) сохранение результатов, передача на ПК. Современные дефектоскопы позволяют «замораживать» изображение развёртки для последующего анализа. Либо — можно сразу наносить разметку мелом или маркером на поверхности ОК в местах выявленных дефектов;

5) расшифровку данных, оформление заключения. Обычно дефекты классифицируются на допустимые и недопустимые по амплитуде, протяжённые и непротяжённые, поперечные, в корне и в сечении шва. Формат заключения/протокола/акта по результатам УЗК утверждается в нормативно-технической документации на контроль и согласовывается с заказчиком. Запись дефектов осуществляется с использованием условных обозначений, указанием глубины залегания, координат относительно начала отсчёта, амплитуды, протяжённости и пр. Чтобы упростить выборку дефекта и ремонт ОК, рекомендуется указывать начальные и конечные координаты каждого дефекта. В зависимости от того, какие дефекты обнаружены и какими параметрами они обладают, объект контроля относят к категории «годен», «ремонтировать» или «вырезать».

На каких объектах практикуется ультразвуковой контроль

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 ОК, перпендикулярно к его поверхности устанавливаются два преобразователя, один выполняет функцию излучателя, второй служит приёмником. При наличии инородной среды (несплошности) образуется глухая зона, что позволяет судить о наличии дефекта;
• эхо-импульсный. Самый популярный метод. Повсеместно применяется для ультразвукового контроля сварных соединений. Система «дефектоскоп-преобразователь» одновременно и возбуждает, и принимает упругие колебания. Если они беспрепятственно проходят через материал и отражаются только от донной поверхности, значит, дефектов нет. Если есть — то возникает эхо-сигнал (впрочем, он может быть и ложным либо возникнуть вследствие структурных помех, но речь не об этом). Способ привлекателен тем, что подходит для объектов с односторонним доступом, может проводиться даже без снятия усиления, но требует зачистку поверхности, а в контактном варианте — ещё и нанесения контактной жидкости (хотя есть щелевой и иммерсионный способы акустического контакта);
• 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 вертикальных дефектов, перпендикулярных сканируемой поверхности. Чаще всего к таковым относятся трещины и непровары в корневой зоне сварного шва;
• зеркальной-теневой. Аналогичен обычному теневому, но отличается от него тем, что излучатель и приёмник располагаются по одну сторону сварного соединения. Признаком дефекта также является уменьшение амплитуды прошедшего сигнала;
• 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. Дельта-метод основан на регистрации дифрагированных волн, переизлучённых «блестящими точками» — краями несплошности;
• 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

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;
• хордовые, 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, дифракция, интерференция, закон Снеллиуса;
• блок по ультразвуковым колебаниям (что собой представляет акустическое поле, в чём разница между прямым и обратным пьезоэффектом, устройство ПЭП, мёртвая и ближняя зона, дальняя зона, реверберационно-шумовая характеристика преобразователя, резерв усиления);
• методы УЗК;
• технология проведения акустической дефектоскопии прямыми и наклонными совмещёнными и раздельно-совмещёнными ПЭП;
• приборы и дополнительные принадлежности для УЗК.

Специалистов III уровня дополнительно обучают разработке методик проведения ультразвукового контроля. Изучаются типовые требования к их наполнению и оформлению. Дополнительное обучение и сертификация по ISO 9712 необходимы для работы с фазированными решётками и методом TOFD.

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».

Источник