Ультразвуковая дефектоскопия

В настоящее время в стране эксплуатируется более половины парка технологического оборудования со сроком службы более 20 лет. Техническое состояние такого оборудования, находящегося столь долгое время в эксплуатации, ухудшается вследствие протекания процессов коррозии, старения, усталости металла. Вместе с тем для этого оборудования увеличивается вероятность его катастрофического разрушения. В связи с этим встает вопрос о возможности его дальнейшей эксплуатации данного оборудования.

Для решения этой задачи требуется проведение комплекса работ по технической диагностике и оценке долговечности нефтехимического оборудования на основе современных методов расчета, учитывающие последние достижения в области материаловедения и механики разрушения.

Одним из способов решения этой задачи является проведение ультразвукового контроля. Одними из важнейших достоинств этого метода являются:

- достоверность получаемой информации;

- контроль производится без разрушения;

- широкий спектр выявляемых дефектов;

- возможность одностороннего доступа к изделию;

- минимальная вредность;

- возможность проведения контроля в полевых условиях;

- возможность диагностирования объектов из различных материалов.

Основные недостатки:

- трудоемкость метода;

- дороговизна оборудования и работ;

- сложность работ по подготовке поверхности;

- возможность проведения диагностирования при ;

- обязательная остановка тех. процесса на время проведением контроля;

- обеспечение акустического контакта;

- малая производительность.

Ультразвуковой контроль сварных конструкций проводят в целях выявления: трещин, непроваров, пор и шлаковых включений в сварных швах; трещин и расслоений в околошовных зонах и основном металле. Контролируются листовые и трубчатые элементы конструкций толщиной 4-60 мм. При этом могут быть проконтролированы: сварные соединения (стыковые соединения, выполненные с остающейся подкладкой (кольцом) или без нее; угловые и тавровые соединения, выполненные с полным проплавлением свариваемых кромок; тавровые соединения без разделки кромок и с К-образной разделкой кромок, выполненные с конструктивным непроваром; нахлесточные сварные соединения); клепаные соединения (исключая тела заклепок); болтовые соединения; элементы, выполненные из листового проката. Допускается проведение ультразвукового контроля указанных выше соединений, один из соединяемых элементов которых получен прокаткой, а другой является литой, штампованной или кованой деталью. В этом случае ультразвуковой контроль соединения проводят со стороны элемента, полученного прокаткой. Ультразвуком не могут быть проконтролированы: соединения, в которых оба соединяемых элемента литые, штампованные или кованые; угловые наклонные (отклонения от перпендикулярности превышают 10°) сварные соедине­ния трубчатых элементов друг с другом или с другими элементами (прокатом, литыми, штампованными или коваными деталями).

Контроль выполняется эхо-методом наклонными и прямыми совмещенными преобразователями контактным способом. Преобразователи перемещают по поверхности конструкций вручную.

Эхо-метод, показанный на рисунке, основан на регистрации эхо-сигнала, отраженного от дефекта. Кроме преимущества одностороннего доступа он также имеет наибольшую чувствительность к выявлению внутренних дефектов, высокую точность определения координат дефектов. К недостаткам метода следует отнести, прежде всего, низкую помехоустойчивость к наружным отражателям, резкую зависимость амплитуды сигнала от ориентации дефекта. Этим методом контролируют около 90 % всех сварных соединений толщиной 4 мм и более.

Рис. Контроль эхо-методом:

1-генератор; 2-усилитель; 3-индикатор (экран дефектоскопа);

4-объект контроля (шов); 5-преобразователь

 

Ультразвуковой метод применяют в основном для выявления внутренних дефектов, но может быть использован и для выявления поверхностных дефектов. Важнейшим преимуществом ультразвукового контроля (в отличие от радиографии) является высокая вероятность выявления наиболее опасных плоскостных дефектов. Экспериментальным путем установлено, что производительность ультразвукового контроля в среднем в 3-10 раз выше радиографического. Кроме того, себестоимость ультразву­кового контроля в 4-8 раз ниже.

При ультразвуковом контроле сварных соединений толщиной 40 мм и более можно установить тип дефекта с достаточно высокой вероятностью (=0,95), определив коэффициент формы дефекта. При контроле сварных соединений меньшей толщины с большой точностью (за исключением ряда случаев) установить тип дефекта не представляется возможным. Поэтому в ряде случаев в качестве дополнительного метода к ультразвуковому контролю может быть рекомендован радиографический контроль. Так как ультразвуко­вой контроль не требует двухстороннего доступа к сварным швам, что особенно важно при контроле конструкций во время эксплуата­ции машин, возможен контроль практически всех встречающихся сварных соединений (более 95 % общей протяженности швов).

Ультразвуковая дефектоскопия является одним из методов акустического неразрушающего контроля, использующим механические колебания упругой среды, частота которых лежит за порогом слышимости человеческого уха, т.е. выше 20 кГц. Обычно для ультразвукового контроля применяют колебания частотой 0,5 – 10 МГц.

При теневом методе контроля показанном на рисунке о наличии дефекта судят по уменьшению амплитуды УЗ-колебаний, прошедших от излучателя к приемнику. Чем больше размер дефекта, тем меньше амплитуда прошедшего сигнала. Излучатель и приемник ультразвука располагают при этом соосно на противоположных поверхностях изделия. Теневой метод можно применять только при двустороннем доступе к изделию. При ручном контроле этим методом можно контролировать сварные швы ограниченного сечения небольшой толщины. Недостатками метода являются сложность ориентации ПЭП относительно центральных лучей диаграммы направленности, невозможность точной оценки координат дефектов и более низкая чувствительность (в 10...20 раз) по сравнению с эхо-методом.

Рис. Контроль теневым методом:

1 - генератор; 2,4- ПЭП(пьезоэлектрический преобразователь);

3 - шов; 5 - ЭЛТ; 6 - усилитель

 

К преимуществам следует отнести низкую зависимость амплитуды сигнала от ориентации дефекта, высокую помехоустойчивость и отсутствие мертвой зоны. Благодаря первому преимуществу этим методом уверенно обнаруживаются наклонные дефекты, не дающие прямого отражения при эхо-методе.

При зеркально-теневом методе признаком обнаружения дефекта служит ослабление амплитуды сигнала, отраженного от противоположной поверхности (ее обычно называют донной поверхностью) изделия. Дополнительным преимуществом этого метода по сравнению с теневым являются односторонний доступ и более уверенное обнаружение дефектов, расположенных в корне шва. Оба эти метода нашли широкое применение при контроле сварных стыков арматуры.

 

Рис. Контроль зеркально-теневым методом:

1 - генератор; 2 - усилитель; 3 - ЭЛТ; 4 - ПЭП; 5 - шов

 

Эхо-зеркальный метод (метод тандем)- наиболее достоверен при обнаружении плоскостных вертикально ориентированных дефектов. Он реализуется при прозвучивании шва двумя ПЭП, которые перемещаются по поверхности околошовной зоны с одной стороны шва таким образом, чтобы фиксировать одним ПЭП сигнал, излученный другим ПЭП и дважды отразившийся от дефекта и противоположной поверхности изделия. Этим методом контролируют изделия с эквидистантными поверхностями, а если их толщина менее 40 мм, то необходимы специальные ПЭП.

Выявляемость дефектов этим способом оценивают коэффициентом выявляемости дефекта , характеризующего ослабление первого донного сигнала. Диапазон изменения лежит в пределах 0-1;он тем меньше, чем больше дефект.

Одно из основных преимуществ метода - возможность оценки формы дефектов размером 3 мм и более, которые отклонены в вертикальной плоскости не более чем на 10°. При оценке формы дефектов необходимым условием является использование ПЭП одинаковой чувствительности. Метод нашел широкое применение при контроле толстостенных изделий, когда требуется высокая надежность обнаружения вертикально-ориентированных плоскостных дефектов, а также при арбитражных оценках.

.

Рис. Контроль эхо-зеркальным методом:

1 - генератор; 2 — усилитель; 3 — ЭЛТ; 4 - ПЭП; 5 - шов

 

Дельта-метод. Здесь используется ультразвуковая энергия, переизлученная дефектом. Падающая на дефект поперечная волна частично отражается зеркально, частично трансформируется в продольную, а частично переизлучает дифрагированную волну. Трансформированная продольная волна распространяется нормально к нижней поверхности, отражается от нее и улавливается прямым ПЭП. Этим же ПЭП будет улавливаться компонента продольной дифрагированной волны, срывающейся с верхнего кончика трещины и распространяющейся вертикально вверх.

Наибольшая чувствительность метода обеспечивается при угле ввода наклонного ПЭП, равным 57-59. В этом случае угол падения на дефект близок к третьему критическому и коэффициент трансформации поперечной волны наибольший.

Установлено, что чувствительность метода слабо зависит от азимутальной и вертикальной ориентации дефекта.

К недостаткам метода следует отнести необходимость зачистки шва, сложность расшифровки принятых сигналов при контроле соединений толщиной 15 мм и менее, трудности при настройке чувствительности и оценке величины дефектов.

Рис. Контроль дельта-методом:

1-генератор; 2-усилитель; 3-ЭЛТ; 4-ПЭП; 5-шов

 

Эхосквозной метод (разновидность теневого метода) используют только при контроле листов и труб, для которых характерны полупрозрачные для ультразвуковых колебаний дефекты. При этом методе регистрируется сигнал, прошедший от излучателя через дефект и последовательно отраженный от противоположной (донной) поверхности изделия и дефекта и принятый приемником. Этот метод обладает высокой чувствительностью и помехоустойчивостью.

Эхозеркальный метод реализуется с помощью двух наклонных ПЭП, размещенных на одной поверхности изделия с одной стороны от дефекта так,что сигнал от одного ПЭП зеркально отражается от дефекта и донной поверхности и принимается вторым ПЭП. Оба ПЭП электрически соединены параллельно, что позволяет принимать как зеркальный, дважды переотраженный сигнал, так и обратно отраженные сигналы, а также определять тип вертикально ориентированных дефектов по их соотношению.

Импедансный метод предназначен для определения качества припайки или приклейки тонкостенной металлической или пластмассовой обшивки к твердой подложке и основан на анализе режима колебаний стержня (с пьезоэлементом), опирающегося на поверхность изделия. При наличии дефекта акустический импеданс данного участка поверхности уменьшается, что приводит к увеличению амплитуды колебаний стержня, уменьшению механического напряжения на его конце, изменению фазы колебаний и смещению частоты резонансных колебаний. Любой из этих признаков свидетельствует о наличии дефекта.

Если первая группа методов предусматривает локальное возбуждение ультразвука, то вторая группа предусматривает возбуждение ультразвука во всем изделии или по всей толщине под излучателем.

Метод свободных колебаний, или спектральный метод, основан на анализе спектра частот собственных колебаний изделия, вибрирующего после удара по нему. Анализ спектра производится или на слух (по звону стеклянной посуды), или с помощью специальной аппаратуры.

Резонансный метод дефектоскопии и толщинометрии основан на возбуждении и анализе резонансных колебаний в исследуемом объеме изделия. На наличие дефекта указывают заниженное по сравнению с номинальным значением толщины, ослабление или исчезновение резонансных пиков на осциллоскопическом индикаторе.

Из пассивных методов акустической дефектоскопии наиболее развиты метод акустической эмиссии и шумовибрационный. При контроле этими методами на изделии в разных местах размещают несколько пьезоприемников.

Метод акустической эмиссии основан на регистрации упругих волн, возникающих в момент образования или развития трещин, например в сосудах высокого давления при гидроиспытаниях. Число сигналов, регистрируемых в единицу времени (интенсивность эмиссии), характеризует интенсивность процесса трещинообразования. По времени прихода сигналов от одного источника к каждому приемнику можно определять координаты трещины.

Шумовибрационный метод позволяет проводить техническую диагностику, например, оценивать работоспособность двигателя, сравнивая спектр сигналов работающего механизма или его элементов с эталонными сигналами.

Поскольку ультразвуковые волны в используемом на практике мегагерцевом диапазоне частот не проходят через воздух, зазор между преобразователем и контролируемым изделием должен быть заполнен контактной жидкостью. По способу создания акустического контакта различают следующие акустические методы: контактный, щелевой (менисковый), иммерсионный и бесконтактный.

При контактном способе акустический контакт создается за счет тонкого слоя жидкости или эластичного материала. При щелевом способе толщина слоя жидкости соизмерима с длиной волны, при иммерсионном толщина слоя жидкости во много раз больше длины волны. Бесконтактный способ ввода ультразвука в изделие с формированием направленных пучков реализуется при использовании специальных электромагнитных акустических преобразователей, возбуждающих упругие колебания непосредственно в самом изделии, или при облучении поверхности изделия короткими импульсами лазерного излучения.