книги / Применения ультразвука
..pdf(I)Прямой луч
Вданном методе ультразвуковой луч посылается в направлении, перпендикулярном сканируемой поверхности. Здесь могут при меняться совмещенные, раздельные или раздельно-совмещенные
(передатчик — приемник (ТЕ)) прямо-лучевые (прямые) зонды. Зонды TR также называют SE (sender enphanger)-зондами. Вслучае совме щенного зонда его преобразующий элемент выступает в качестве передатчика и приемника одновременно. В данном методе ультра звуковая энергия луча проникает в материал и отражается от задней поверхности, направляясь обратно к преобразующему элементу (рис. 7.9). Если в материале присутствует дефекг/трещина, ультра звуковой луч отражается от этогодефекта. Поскольку совмещенные зонды посылают большие импульсы, это создаеттрудности при тес тировании тонких срезов и при измерении толщины тонких стенок.
Применение раздельных прямых зондов полезно, когда образец
имеет неправильную форму, а его задняя поверхность непа раллельна передней. Одинзонд посылает ультразвуковой луч в материал, а другой принимает эхо-сигналы от дефектов и за дней поверхности, как показа но на рис. 7.10. Тестирование методом сквозного прозвучивания, рассматриваемое выше, тоже подпадает под эту кате горию. В методе с использо ванием прямых зондов SE или
TR два преобразующих элемента размещают в одном корпусе под углом друг к другу. Угол определяется в зависимости от требуемой фокусировки луча, обеспечивающей нужное разрешение вблизи поверхности. Один из элементов действует в качестве передатчика, а другой выступает в роли приемника. Все методы тестирования, обсуждаемые при рассмотрении метода поиска - захвата с исполь зованием прямого луча, подпадают под эту категорию.
(II) Наклонный луч
Техника наклонного луча предусматривает передачу ультра звуковых лучей в тестируемый образец под заданным углом к поверхности. В зависимости от выбранного угла волны, возни-
тR
Звук, отраженны" от дефекта и направляющийся
на принимающий модуль
Рис. 7.10. Тестирование материалов с помощью раздельных преобразователей
кающие в образце, могут быть смешанными (продольными и по перечными), только поперечными или только поверхностными. Как правило, в наклонно-лучевом тестировании используются поперечно-волновые зонды. Поперечные волны при различных углах преломления (от 33 до 80°) в стальных объектах помогают обнаруживать дефекты, которые ориентированы таким образом, что их невозможно выявить прямолучевыми методами.
Определение разных расстояний для наклонно-лучевых (наклон ных) зондов
Разные расстояния, такие как половина длины шага (HSD), полная длина шага (FSD), половина пути, пройденного лучом (HSBPL), и полный путь, пройденный лучом (FSBPL), для на клонного зонда при угле преломления в, показаны на рис. 7.11.
Рис. 7.11. Определение расстояний — наклонные зонды
Отрезками AB, АС, AD и AD+DC на рис. 7.11 обозначены рас стояния HSD, FSD, HSBPL и FSBPL соответственно. Значения
HSD, FSD, HSBPL и FSBPL определяются для образца толщиной t и угла преломления 0 и задаются следующим образом:
H SD = № n6, |
|
(7.3) |
FSD =2ttan в, |
|
(7.4) |
H SBPL^ |
’ |
<7-5> |
FSBPL— |
|
(7.6) |
COSв |
|
|
Если реальный угол зондирования равен номинальному, эти расстояния определяют с помощью соотношения:
Требуемое расстояние =Ft, |
(7-7) |
где F—фактор соответствующего угла зондирования (табл. 7.1). Проверка угла зондирования проводится с помощью стан
дартного калибровочного блока.
Наклонный луч стандартного поперечно-волнового зонда (45,60 и 70") при использовании его на толстостенной трубе, возможно, не проникнет до самого отверстия трубы, снова выйдет на внешнюю поверхность, как показано на рис. 7 .1 2 , и не обнаружитдефект.
Табл. 7.1. Фактор угла зондирования для различной толщины стенок
Фактор |
35° |
45° |
60° |
70е |
80° |
||
угла зондирования |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||
HSD |
0,7 |
1 |
, 0 |
1,73 |
2,75 |
5,67 |
|
FSD |
1,4 |
2 |
, 0 |
3,46 |
5,49 |
11,34 |
|
HSBPL |
1 , 2 2 |
1,41 |
2 , 0 |
2,92 |
5,76 |
||
FSBPL |
2,44 |
2,83 |
4,0 |
5,85 |
11,52 |
||
Для заданного угла зондирования максимальная толщина t стенки трубы, которая позволяет центру луча достичь отверстия в этой трубе, определяется по формуле:
cf(1—sin 0)
(7.8)
"2
где t —максимальная толщина стенки, d —внешний диаметр OD трубы, 0 —угол зондирования.
Наибольшая глубина, которую мы можем обследовать со стороны внешнего диаметра данной трубы
Рис. 7.12. Глубина проникновения в толстостенных трубах
Перепишем уравнение (7.8) в таком виде, чтобы определить наилучший угол для заданной толщины трубы:
0 = a r c s in ^ l- ^ jj. |
(7.9) |
Упростим вышеприведенное уравнение для стандартных на клонных зондов:
t= d f |
(7.10) |
где / —фактор зондирования, значения которого приводятся в табл. 7.2.
Максимальная толщина стенки для различных размеров труб и углы зондирования даются в табл. 7.3.
Табл. 7.2. Фактор зондирования для различных углов
Угол |
35° |
45° |
60° |
70° |
80° |
|
зондирования |
||||||
|
|
|
|
|
||
Фактор |
0,213 |
0,146 |
0,067 |
0,030 |
0,008 |
|
зондирования |
||||||
|
|
|
|
|
Табл. 7.3. Фактор зондирования для различной толщины стенок (глубины проникновения луча)
Угол зовдирования |
35“ |
45“ |
60° (Максимальная |
|||
толщина стенки) |
||||||
|
|
|
|
|
||
Наружный диаметр |
мм |
мм |
мм |
|||
( 0 2 ))трубы, мм |
||||||
|
|
|
||||
1 |
0 |
0 |
21,3 |
14,6 |
6,70 |
|
150 |
31,95 |
21,9 |
10,05 |
|||
2 |
0 |
0 |
42,60 |
29,2 |
13,40 |
|
250 |
53,25 |
36,5 |
16,75 |
|||
300 |
63,90 |
43,8 |
2 0 , 1 0 |
|||
350 |
74,55 |
51,1 |
23,45 |
|||
400 |
85,20 |
58,4 |
26,80 |
|||
450 |
95,85 |
65,7 |
30,15 |
|||
500 |
106,50 |
73 |
33,50 |
|||
(III) Поверхностные волны
Схема метода контроля с использованием поверхностных волн приведена на рис. 7.13. Поверхностные волны успешно при меняются во многих областях, особенно в авиационной промыш ленности. Однако в углеродисто-сталелитейной промышленнос ти метод не столь популярен, что связано с меньшей гладкостью поверхностей. В этой отрасли при обнаружении поверхностных и подповерхностных дефектов более надежным является магнит ный метод. Поскольку энергия поверхностных волн сконцен трирована в приповерхностном слое материала, они способны преодолевать очень большие расстояния (несколько метров) при движении по поверхности. Главное достоинство поверхностных волн заключается в том, что они следуют плавным изменениям контура и резко отражаются только в том случае, если контур вне запно меняется. Данное обстоятельство позволяет обследовать компоненты сложной формы. Важным ограничением является то, что волны также распространяются в слое окалины или жид кости, если таковой имеется на поверхности тестируемого объек та. По этой причине волны порой могут не обнаруживать дефек ты, присутствующие на поверхности.
302 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
Преобразователь
Переданный
импульс
J |
Сигнал от дефекта |
|
|
|
- J \ ______ - |
|
Время |
7.5.2. Контроль иммерсионным методом
Иммерсионный метод уже рассматривался в разделе 7.4.4 в контекс те импульсного эхо-метода. Как бы то ни было, учитывая значимую роль иммерсионного метода в промышленности, мы уделим ему вни мание в данном разделе. В иммерсионном методе используется водо непроницаемый зонд, расположенный на некотором расстоянии от тестируемого материала, а ультразвуковой луч передается через до рожку или столб воды. Этот метод по большей части практикуется в лабораториях и в крупных установках для автоматического ультра звукового тестирования. Достоинство метода заключается в том, что он позволяет достичь условия однородного контакта и генерировать как продольные, так и поперечные волны одним и тем же зондом, всего-навсего изменяя угол падения луча. В методе выделяются три основныхтехники: иммерсия, барботер и колесный преобразователь.
При реализации иммерсионного метода зонд и тестируемый образец погружают в воду. Ультразвуковой луч направляется через воду в тестируемый образец. Для этого используется прямолуче вой метод для генерации продольных волн или наклонно-лучевой метод для генерации поперечных волн, как показано на рис. 7.14.
В технике наклонного луча длина водной дорожки всегда должна превышать расстояние S:
2 _ Толщина образца х Скоростьзвукавводе
(7.11)
Скорость звукав образце
где S —расстояние в воде междупреобразователем иповерхностью тестируемого объекта. Для стальных образцов путь в воде должен превышать V4 толщины стали, иначе первый эхо-сигнал от задней поверхности будет перекрывать второй эхо-сигнал. В результате дефекты, находящиеся вблизи задней поверхности, могут быть не замечены. Данное обстоятельство связано с большими различия ми скорости ультразвука в воде и стали.
Манипулятор
(а) Прямой луч (перпендикулярный поверхности) |
(Ь) Наклонный луч |
Рис. 7.14. Тестирование материала иммерсионным методом
В технике барботирования, или омывания, ультразвуковой луч направляется через столб воды в тестируемый образец, как показано на рис. 7.15. Эта техника обычно применяется вместе с автоматизированной системой для высокоскоростного сканиро вания пластин, листов, полос, цилиндрических и других изделий правильной формы. Ультразвуковой луч по перпендикулярной траектории проходит в тестируемый образец и возбуждает про дольные волны либо регулируется под углом к поверхности тести руемого образца для генерации поперечных волн.
Рис. 7.15. Техника барботирования
В методе колесного преобразователя ультразвуковой луч по сылается в тестируемый образец через шину, наполненную водой, как показано на рис. 7.16. Зонд, установленный на оси колеса, неподвижен, в то время как колесо можно поместить на подвиж ный агрегат, который перемещается по образцу, или соединить с неподвижным креплением, чтобы образец двигался вдоль него (рис. 7.17). Для данного метода также применимо требование на личия прослойки воды, как и в предыдущем случае.
Шина с водой
Неподвижная ось Преобразователь
Тестируемый образец
Рис. 7.17. Стационарные и движущиеся преобразователи
Местоположение и угол зонда, устанавливаемого на оси коле са, можно регулировать так, чтобы генерировать лучи, направлен ные перпендикулярно (рис. 7.17) или наклонно (рис. 7.18) к поверх ности изделия. Колесный преобразователь обеспечивает такую же скорость сканирования, как барботер, или омыватель. Кроме того, у него есть одно преимущество, заключающееся в том, что он не сталкивается с проблемами коррозии или очистки, которые прису щи технике барботирования. Это связано с тем фактом, что вода и образец не находятся в непосредственном контакте.
7.6. Дефектоскоп
Дефектоскопы играют важную роль в ультразвуковом тестиро вании. Дефектоскоп представляет собой модуль с электронным
Дефектоскоп 305
С Ю ..........
Звуковой луч направляется строго прямо
Звук проходит в материал под углом 45*
Звуковой луч направлен под углом в сторону и вперед
Рис. 7.18. Возможности колесного преобразователя, связанные с регулированием угла
управлением, который выполняет операцию согласно инструк ции, данной инструктором. Понятно, что для эффективного обнаружения дефектов обслуживающий персонал должен обла дать обширными знаниями о функционировании компонентов дефектоскопа и о выполняемых им операциях. По этой причине в данном разделе рассказывается об устройстве и работе типич ного дефектоскопа, используемого в ультразвуковом тестирова нии.
7.6.1. Функции дефектоскопа
Ниже рассматриваются средства управления дефектоскопом, ко торые упрощают процесс его работы.
(I) Функции электронных элементов
Блок-схема ультразвукового импульсного эхо-дефектоскопа показана на рис. 7.19. Она состоит из ультразвукового приемника, генератора временной развертки, передатчика и зонда для прове дения обследования.
Схема типичной электронно-лучевой трубки (CRT) изображе на на рис. 7.20. CRT состоит из нити накала Д которая нагрева ет катод С, заставляя его испускать электроны. Напряжение, подаваемое между катодом и анодом, придает электронам ускоре-
Рис. 7.19. Блок-схема импульсного эхо-дефектоскопа
Вертикально
Рис. 7.20. Схематическое представление CRT