9.5. Аппаратура, методы и технология ультразвукового контроля

Обнаружение и измерение имеющихся в конструкции дефектов осуществляют с помощью ультразвуковых дефектоскопов специально­го или общего назначения. Структурная схема импульсного ультразву­кового эхо-дефектоскопа общего назначения приведена на рис. 9.7.

Импульс ультразвуковых механических колебаний, посылаемых в контролируемое изделие, создается в пьезопреобразователе за счет об­ратного пьезоэффекта. Для этого на пьезоэлемент пьезопреобразова-теля подается короткий электрический импульс, вырабатываемый ге­нератором зондирующих импульсов. Отраженный от донной поверх­ности или от дефекта механический импульс УЗК принимается тем же или другим пьезопреобразователем, работающим в режиме приема, и преобразовывается посредством прямого пьезоэффекта в электриче­ский сигнал. Далее сигнал, усиленный с помощью усилителя, подается на вертикальные отклоняющие элементы экрана, определяющие по­ложение луча на экране дефектоскопа по высоте. Одновременно с ге­ нератором зондирующих импульсов запускается генератор развертки, который вырабатывает линейно увеличивающийся (пилообразный)

Рис. 9.7. Схема ультразвукового дефектоскопа:

1 - пьезопреобразователь; 2 - генератор зондирующих импульсов; 3 - синхронизатор; 4 - генератор горизонтальной развертки; 5 - глубиномер; 6 - блок временной регулировки чувствительности; 7 - усилитель; 8 - автоматический сигнализатор дефектов; 9 - экран дефектоскопа

импульс, подаваемый на горизонтальные отклоняющие элементы эк­рана, для развертки луча в горизонтальной плоскости. Сигналы, по­ступившие от дефекта (Д) или противоположной стороны изделия (донный сигнал), вместе с зондирующим импульсом появляются на экране дефектоскопа в виде пиков соответствующей амплитуды. По­ложение этих пиков на горизонтальной оси определяется временем их прихода и зависит от скорости УЗ колебаний в контролируемом изде­лии, а также глубины залегания дефекта или толщины изделия. С по­мощью глубиномера по времени прихода импульса и известной скоро­сти распространения колебаний определяются соответственно глубина расположения дефектов и толщина изделия.

Автоматический сигнализатор дефектов (АСД) служит для выра­ботки звукового или светового сигналов при появлении импульса от дефекта выше браковочного уровня. Для компенсации затухания ко­лебаний и выравнивания амплитуд импульсов от равных по разме­рам, но расположенных на разной глубине дефектов, служит блок временной регулировки чувствительности (ВРЧ). Синхронизатор обеспечивает синхронную работу генератора зондирующих импуль­сов и генератора развертки, а также управляет работой блоков АСД, ВРЧ и глубиномера.

Современные ультразвуковые дефектоскопы позволяют получать на экране различные типы разверток, что существенно повышает информативность результатов контроля. Основной является разверт­ка типа А, пример которой приведен на рис. 9.7. Развертка типа В позволяет визуализировать расположение дефектов по толщине из­делия. Развертка типа С показывает расположение дефектов в плане в пределах проконтролированной зоны.

Наряду с перечисленными выше элементами неотъемлемой со­ставной частью современных дефектоскопов является высокопроиз­водительный микропроцессор и соответствующее программное обес­печение. Ультразвуковые дефектоскопы последнего поколения, соз­данные на базе микропроцессорной техники, обладают большими функциональными возможностями. Их электронные и дефектоско­пические параметры очень близки, так как во всех приборах исполь­зуются практически одни и те же электронные компоненты. Помимо функциональных возможностей весьма важны также габариты и масса прибора. Самым легким и малогабаритным среди дефектоско­пов общего назначения не только в России, но и в мире, на сего­дняшний день является отечественный цифровой ультразвуковой дефектоскоп общего назначения А1212. На рис. 9.8 представлен де­фектоскоп А1212, преобразователь которого установлен на стандарт­ном образце СО-1.

Настройка уровня поисковой и браковочной чувствительности, а также эталонирование основных параметров ультразвуковых дефек­тоскопов осуществляются с помощью соответствующих стандартных образцов по ГОСТ 14782-86 или специальных стандартных образцов предприятий с искусственными отражателями, имитирующими дефекты. На рис. 9.9 приведен общий вид комплекта стандартных об­разцов КОУ-2.

А1212 совместно со стандартным

образцом СО-1

Различные методы ультразвукового контроля отличаются схема­ми установки излучателя и приемника ультразвуковых колебаний, их положением относительно объекта контроля. Применяют теневой, зеркально-теневой, эхо-зеркальный и другие методы. Наиболее ши­рокое распространение получил импульсный эхо-метод, основанный на отражении УЗ колебаний от несплошности и приеме отраженных эхо-сигналов. Амплитуда эхо-сигнала на экране дефектоскопа при этом будет пропорциональна размерам дефекта.

В эхо-методе различают три способа установки пьезопреобразователей:

• по раздельной схеме, предусматривающей использование двух пьезопреобразователей, один из которых выполняет функцию излу­чателя, другой — приемника;

• по раздельно-совмещенной схеме, когда излучатель и прием­ник монтируются в одном корпусе (см. рис. 9.5 в и 9.7);

• по совмещенной схеме, когда один пьезопреобразователь вы­полняет одновременно функции излучателя и приемника.

Рис. 9.9. Комплект стандартных образцов КОУ-2

Рис.9.10 Схема прозвучивания сварных соединений:

а – прозвучивание стыкового шва с неудаленным усилением; б – позвучивание углового сварного шва

Последний способ применяют чаще всего. В зависимости от ме­стоположения пьезопреобразователя контроль (прозвучивание) мо­жет осуществляться прямым, а также одно- и многократно отра­женным лучом. В качестве примера на рис. 9.10 приведены схемы прозвучивания поперечных сечений некоторых типов сварных со­единений. Удаление пьезопреобразователя от сварного шва (l₁, l₂) оп­ределяется соответствующим геометрическим расчетом. Для контро­ля сварного шва по всей его длине осуществляется соответствующее перемещение пьезопреобразователя (сканирование). При механизи­рованном контроле перемещение осуществляется с помощью меха­нического приводного устройства. При ручном перемещении приме­няют поперечно-продольный или продольно-поперечный способы сканирования. При поперечно-продольном способе пьезопреобразо-ватель перемещается возвратно-поступательно в направлении, пер­пендикулярном оси шва или под небольшим углом к ней с шагом t. Шаг сканирования t обычно принимается равным половине диамет­ра пьезопластинки преобразователя. При продольно-поперечном способе пьезопреобразователь перемещается вдоль шва. Различные способы сканирования представлены на рис. 9.11. В процессе скани­рования пьезопреобразователь непрерывно поворачивают на угол 10...15°.

Наиболее надежный способ обнаружения внутренних дефектов реализуется при прозвучивании объекта контроля прямым лучом (см. рис. 9.10). Вместе с тем при контроле сварных швов с неудален­ным усилением прозвучить удается только корень шва и прилегаю­щую к нему зону. Чем больше ширина валика усиления шва, тем меньше контролируемая зона. Особенно остра данная проблема при контроле сварных соединений малой толщины, например тонко­стенных труб, где отношение высоты и ширины валиков усиления к толщине контролируемого металла значительно больше, а в центре шва образуется

Рис. 9.11. Способы ручного сканирования

неконтролируемая зона. Кроме того, при контроле труб контактные поверхности пьезопреобразователей необходимо притирать с соответствующим радиусом кривизны.

В последние годы для контроля стыковых сварных соединений труб все шире стали использовать раздельно-совмещенные пьезопреобразователи «хордового» типа, изготовляемые, например, НПП «Политест» (Г.А. Гиллер, Л.Ю. Могильнер). Эти пьезопреобразова-тели позволяют за счет расхождения ультразвукового пучка в преде­лах толщины стенки обеспечить практически равномерное (с одина­ковой чувствительностью) прозвучивание всего сечения сварного шва прямым лучом и в значительной мере избавиться от помех, воз­никающих при использовании совмещенного преобразователя: сиг­налов от неровностей валиков усиления; сигналов, возбуждаемых поверхностными волнами; реверберационных шумов совмещенного пьезопреобразователя.

Такие условия контроля обеспечиваются потому, что призмы раздельно-совмещенного пьезопреобразователя наклоняют в про­странстве по отношению к оси трубы под определенными углами, а расстояние между ними 2L (длина хорды) выбирают из соотношения

где R и — соответственно радиус кривизны на­ружной поверхности и толщина стенки трубы. Схема прозвучивания сварного стыка трубы с помощью раздельно-совмещенного пьезо­преобразователя хордового типа приведена на рис. 9.12.

Ультразвуковые колебания, излучаемые пьезопреобразователем, вводятся в трубу в точке А (рис. 9.13). При наличии в изделии де­фекта (отражателя О) волна, падающая на него, зеркально отражает­ся в направлении приемного преобразователя в точку В. Угол ввода ультразвуковой волны

Рис. 9.12. Прозвучивание стыкового сварного соединения

пьезопреобразователем хордового типа: 1- излучающий преобразователь; 2 - то же, приемный

и угол разворота центральных лучей (φ выби­рают таким образом, чтобы центральные лучи диаграмм направлен­ности излучающего и приемного преобразователей и точки А и В на­ходились в одной плоскости, проходящей через середину толщины стенки сечения трубы. Соответствующие углы определяют по фор­мулам

_{где m – расстояние между хордой АВ и отражателем D}

Рис. 9.13. Схема определения углов ввода пьезопреобразователя хордового типа

Контроль сварных стыков труб с помощью раздельно-совмещен­ного пьезопреобразователя хордового типа производится путем пере­мещения пьезопреобразователя только вдоль сварного стыка, одно­временно совершая при этом незначительные (до ±2 мм) возвратно-поступательные перемещения. Контроль выполняется с каждой сто­роны сварного шва.

Разнообразие методических приемов ультразвукового контроля различных деталей и элементов обусловливается многообразием их конструктивного исполнения. Для наиболее ответственных деталей и элементов нефтегазового оборудования разработаны соответствую­щие технологические инструкции, регламентирующие методику их контроля (например, стволов вертлюгов, осей кронблоков, замков бурильных труб, валов турбобуров и др.).

Для механизированного контроля магистральных трубопроводов применяют внутритрубные при- боры-дефектоскопы (см.13.2), имею­щие большое число преобразователей, расположенных по окружно­сти с определенным шагом (обычно 8 мм). Измерительно-регистри­рующая система таких приборов производит циклы измерений через каждые 3 мм по ходу движения, благодаря чему в пределах контро­лируемого участка трубопровода выполняются миллионы измере­ний. Обработка результатов измерений на компьютере позволяет вы­явить участки трубопровода с утонением стенок и наличием наруж­ных и внутренних дефектов.

Ультразвуковые толщиномеры предназначены в основном для определения толщины изделия и, в отличие от дефектоскопов, име­ют существенно более простое устройство, меньшие габариты и мас­су. Например, у них отсутствуют блоки временной регулировки чув­ствительности, автоматического сигнализатора дефектов и др. (см. рис. 10.7). При контроле толщины конструкций, подвергшихся серо­водородному растрескиванию или расслоению, а также изготовлен­ных из сталей с большим содержанием сульфидных включений, рас­катов и др, часто совершаются ошибки, так как большинство тол­щиномеров определяют толщину изделия по пришедшему первым сигналу от дефекта или расслоения. Поэтому наиболее совершенные модели ультразвуковых толщиномеров снабжаются экранами, на ко­торые выводится развертка типа А. Это позволяет выявить донный сигнал и отличить его от сигнала от расслоения.

Большинство моделей толщиномеров наряду с толщиной позво­ляет измерять также и скорость распространения или время распро­странения УЗ волны. Точное измерение этих параметров позволяет использовать ультразвуковые толщиномеры также и для других це­лей: например, для экспресс-анализа марки металла по скорости распространения в нем ультразвука. Перспективным также является применение высокоточных толщиномеров для контроля напряжен­ного состояния и усилия затяжки болтов ответственного оборудова­ния и агрегатов.

Известно, что вследствие акустоупругого эффекта скорость рас­пространения УЗ волны зависит не только от материала объекта, но и от его напряженного состояния. При одноосном напряженном со­стоянии и неизменной температуре задача контроля резко упрощает­ся. Так, по известному времени распространения УЗ импульса на длине болта в незатянутом t и затянутом t₀ состоянии напряжение можно рассчитать по формуле

где Е – модуль упругости материала болта; акустоупругий коэффициент распространения УЗ волн; k – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения напряжения в гладкой и резьбовой частях болта:

где l – общая длина болта; l₀ и l_p – длины гладкого и нарезанного участков; d₀ и d_p их диаметры.

Усилие затяжки болта определяется по формуле

Такой подход к определению F_Э является в настоящее время наиболее распространенным [17, т.4, с.183].