Ультразвуковой контроль

Концепция дефектоскопии металла была предложена советским ученым Сергеем Соколовым в 1928 году в Ленинградском электротехническом институте.
ультразвуковой контроль с использованием 2 угловых лучей

Ультразвуковой контроль

История ультразвукового контроля

Перед Второй мировой войной был разработан сонар, также была протестирована техника посылки звуковых волн через воду и наблюдения за возвращающимся эхом. Это было разработано, чтобы находить затопленные объекты. Данное нововведение вдохновила исследователей найти способы применить эту концепцию к в медицинской диагностике.

В 1928 и 1935 годах наш ученный Сергей Соколов изучал использование ультразвуковых волн при обнаружении металлических дефектов.

В 1931 году Мюльхаузер получил патент на использование ультразвуковых волн с использованием двух преобразователей для обнаружения дефектов в твердых телах. В 1940 Firestone и Simons 1945 разработали импульсное ультразвуковое тестирование с использованием метода импульсного эха и получили международный патент.

Работа Японии в области ультразвука была относительно неизвестна в мире до 1950-х годов. Но японские исследователи представили в международное медицинское сообщество свои выводы об использовании ультразвука для выявления камней в желчном пузыре, массы молочной железы и опухолей. Япония стала первой страной, применившей ультразвуковое доплеровское исследование, которое обнаруживает внутренние движущиеся объекты, такие как кровь, текущая через сердце, для исследования сердечно-сосудистой системы.

Первые исследователи ультразвука, работающие в Соединенных Штатах, внесли много инноваций и важных открытий в эту область в течение следующих десятилетий. Исследователи научились использовать ультразвук для выявления потенциального рака и визуализации опухолей у живых людей и в удаленных тканях. 

Начало неразрушающего контроля с использованием ультразвука 

Неразрушающий контроль практиковался в течение многих десятилетий, причем первые научные разработки в области измерительной техники стимулировались технологическими достижениями, которые произошли во время Второй мировой войны и последующими усилиями в мировой обороне.

Первоначальной целью было обнаружение дефектов. В рамках конструкции «безопасной жизни» предполагалось, что конструкция не должна проявлять макроскопические дефекты в течение срока ее службы, причем обнаружение таких дефектов является причиной снятия компонента с эксплуатации. В ответ на эту потребность появились все более изощренные методы, использующие ультразвук, вихревые токи, рентгеновские лучи, капиллярный контроль, магнитные частицы и другие формы и методы неразрушающего контроля.

В начале 1970-х годов произошли два события, которые вызвали серьезные изменения в области неразрушающего контроля. 

Во-первых, усовершенствование технологий привело к способности обнаруживать небольшие дефекты, которые вызывали  небольшие отклонение в детали, при этом вероятность отказа компонента не изменилась. Т.е. дефекты были незначительными. 

И появилась дисциплина механических разрушений, которая позволила предсказать, будет ли трещина заданного размера разрушаться при определенной нагрузке, когда известны свойства и характеристики разрушения материала. Также были открыты законы для прогнозирования скорости роста трещин при циклическом нагружении (усталости).

С появлением этих инструментов стало возможным принимать конструкции, содержащие дефекты, если известны размеры этих дефектов. Это послужило основой для новой философии «возможной, устойчивости к повреждениям».

Таким образом, перед сообществом неразрушающего контроля была поставлена ​​новая задача. Обнаружения было недостаточно. Также необходимо было получить количественную информацию о размере дефекта, которая послужит стартом для прогноза оставшейся жизни детали на основе механики разрушения.

Потребность в количественной информации была особенно острой в оборонной и атомной энергетике и привела к появлению нового термина количественной неразрушающей оценки, которая вырасла в новую инженерную / исследовательскую дисциплину.

Современное состояние дел

Начиная с 1980-х годов и вплоть до наших дней компьютеры предоставляли техническим специалистам более точные данные с более широкими визуальными и аналитическими возможностями.

Измерение толщины стенки и глубины дефекта является примером, тем как были усовершенствованы инструменты. Конечно все это упрощает и улучшает сбор данных. Новое технологические возможности позволяют собирать и анализировать тысячи измерений обрабатывая и анализируя историю измерений в приборе.. Также эти приборы имеют возможность записывать сигналы, и показания толщин. Опция осциллограммы позволяет оператору просматривать сигнал в течение длительного времени после завершения проверки.

Кроме того, некоторые приборы способны изменять вид измерений в зависимости от состояния поверхности материала. Например, сигнал от внутренней поверхности трубы с ямками или эрозии будет обрабатываться иначе, чем гладкая поверхность. Это привело к более точным и измерениям, которые легко поводим «в поле».
  • Многие ультразвуковые дефектоскопы имеют тригонометрическую функцию, которая позволяет быстро и точно определять местоположение дефектов при проведении инспекций с использованием поперечной волной.
  • Катодно-лучевые трубки, по большей части, были заменены на светодиодные или жидкокристаллические экраны. Эти экраны, в большинстве случаев, чрезвычайно легко просматривать в широком диапазоне окружающего освещения.
  • Условия работы при ярком или слабом освещении, с которыми сталкиваются технические специалисты, почти не влияют на свойства экрана. Экраны можно регулировать по яркости, контрастности, а на некоторых инструментах можно выбрать даже цвет экрана и сигнала.
  • Датчики запрограммированы с предварительно заданными настройками в приборе. Оператору нужно только подключить преобразователь и ультразвуковой толщиномер или дефектоскоп установит такие переменные, как частота и вид датчика, сила тока. Что позволит дефектоскописту сразу использовать прибор.
  • Робототехника также способствовала развитию науки. Современные стационарные платформы стали использоваться в промышленности. Запрограммированные компьютеры и манипуляторы используются для проверки больших компонентов сложной формы. Такие системы снабжены несколькими датчиками, собирающими информацию. Автоматизированные системы обычно состоят из погружённого резервуара, системы сканирования и системы записи для распечатки результатов сканирования. Погруженный резервуар также, может быть заменен иммерсионной системой, которая позволяет передавать ультразвук через толщу воды. В результате сканирование компонентов происходит значительно быстрее, чем контактное сканирование, при этом связь между деталью и ультразвуковым детекторами более надежная. Информация о таком сканировании собирается компьютером для оценки, передачи дефектоскописту. 
Автоматизированная система иммерсионного ультразвукового контроля заготовок валов
Автоматизированная система иммерсионного контроля заготовок валов

В настоящее время быстрый прогресс в области оцифровки и вычислительных возможностей полностью изменил облик многих инструментов и алгоритмов, которые используются при обработке полученных данных. Появились системы визуализации с большим разрешением, а также стали использоваться  несколько методов измерения длины дефекта. Поскольку технологии продолжают развиваться, применение ультразвука также продвигается вперед. Системы визуализации с высоким разрешением доступные сегодня в НИИ лабораториях станут повседневными инструментами завтрашнего технического специалиста.

 

Основы ультразвукового контроля

При ультразвуковом контроле используется тот же принцип, что и в военно-морских сонарах и эхолотах. Сверхвысокочастотный звук вводится в проверяемую часть, и если звук попадает на материал с другим акустическим импедансом (плотность и скорость звука), часть звука будет отражаться обратно на передающее устройство и может отображаться на визуальном дисплее.

Зная скорость звука через деталь (скорость звука) и время, необходимое для возврата звука в передающее устройство, можно определить расстояние до отражателя (индикация с различным акустическим импедансом). Наиболее распространенные звуковые частоты, используемые в UT, составляют от 1,0 до 10,0 МГц, которые слишком высоки, чтобы быть услышанными и не распространяются по воздуху. Более низкие частоты имеют большую проникающую способность, но меньшую чувствительность (способность «видеть»)

а знаете ли вы?…

Концепция ультразвуковой дефектоскопии металла была впервые предложена советским ученым Сергеем Я. Соколовым в 1928 году в Ленинградском электротехническом институте. Он показал, что метод передачи может быть использован для обнаружения дефектов металла по вариациям энергии ультразвука, передаваемой через металл. Однако разрешение было неполным. Позднее он предположил, что метод отражения может быть практичным.

Два наиболее часто используемых типа звуковых волн, используемых в промышленных инспекциях, — это волна сжатия (продольная) и поперечная (поперечная), как показано на рисунке 10. Волны сжатия заставляют атомы в части вибрировать назад и вперед параллельно оси направление звука и поперечные волны заставляют атомы вибрировать перпендикулярно (из стороны в сторону) в направлении звука. Сдвиговые волны распространяются примерно на половину скорости продольных волн. 

Звук вводится в деталь с помощью ультразвукового преобразователя («зонда»), который преобразует электрические импульсы от устройства ультразвука в звуковые волны, а затем преобразует возвращаемый звук обратно в электрические импульсы, которые могут отображаться в виде визуального представления на цифровом или ЖК-экране (на старых машинах ЭЛТ-экран). 

Если машина правильно откалибрована, оператор может определить расстояние от преобразователя до отражателя, и во многих случаях опытный оператор может определить тип прерывистости (например, шлак, пористость или трещины в сварном шве), который вызвал отражатель. Поскольку ультразвук при ультразвуковом контроле не будет проходить через воздух (атомы в молекулах воздуха находятся слишком далеко друг от друга, чтобы передавать ультразвук), необходимо использовать жидкость или гель, называемые «соединителями»

Технологические особенности контроля

Прямой луч в исследованиях

При проверке прямого луча используются продольные волны для опроса образца, как показано на картинке. Если звук попадает во внутренний отражатель, звук от этого отражателя будет отражаться на преобразователе быстрее, чем звук, возвращающийся с задней стенки детали из-за более короткого расстояния от преобразователя. Это приводит к отображению экрана, подобному показанному на рисунке. 

ультразвук картинка 11

Цифровые тестеры толщины используют тот же процесс, но выходные данные отображаются в виде цифровых числовых показаний, а не экранного представления.

а знаете ли вы?…

Первый успешный эксперимент по радиодиапазону произошел в 1924 году, когда британский физик Эдвард Эпплтон использовал радиоэхо для определения высоты ионосферы. Первая практическая система  RADAR (радиообнаружение и определение дальности и использование электромагнитных волн, а не ультразвука) была произведена в 1935 году другим британским физиком Робертом Уотсон-Ваттом, а к 1939 году Англия создала сеть радиолокационных станций вдоль своих южных и восточных берегов, чтобы обнаружить агрессоров в воздухе или на море.

Уголовное отклонение луча в ультразвуковом контроле

Для контроля углового луча используется датчик того же типа, но он установлен на наклонном клине (также называемом «зондом»), который предназначен для передачи звукового луча в деталь под известным углом. Наиболее часто используемые углы контроля составляют 45 o, 60 o и 70 o, причем угол рассчитывается от линии, проведенной через толщину детали (а не поверхности детали). Датчик 60 o показан на рисунке 12. Если частота и угол клина не указаны в руководящем коде или спецификации, то оператор должен выбрать комбинацию, которая будет адекватно проверять проверяемую деталь.

Ультразвуковой контроль картинка 12

ультразвуковой контроль с использованием 2 угловых лучей
Ультразвуковой контроль с использованием 2 угловых лучей
При проверке углового луча комбинация преобразователя и клина (также называемая «зондом») перемещается назад и вперед к сварному шву, так что звуковой луч проходит через весь объем сварного шва. Как и при проверке с прямым лучом, отражатели, выровненные более или менее перпендикулярно звуковому лучу, отправят звук обратно на преобразователь и отобразятся на экране. Ниже вы сможете просмотреть наглядное видео и увидеть все глазами.

Принцип ультразвукового контроля

Как говорилось ранее использует высокочастотную звуковую энергию для проведения исследований и измерений. Этот вид контроль можно использовать для обнаружения / оценки дефектов, измерения размеров, определения характеристик материала и многого другого. 

Чтобы проиллюстрировать общий принцип проверки, будет использована типичная конфигурация проверки импульса / эха, как показано ниже.

Типичная система контроля УК состоит из нескольких функциональных блоков, таких как генератор импульсов / приемник, преобразователь и устройства вывода отображения (экран). Импульсный приемник — это электронное устройство, которое может генерировать электрические импульсы высокого напряжения.

Приводимый в действие пульсатором, преобразователь генерирует ультразвуковую энергию высокой частоты. Звуковая энергия (ультразвук) вводится и распространяется через материалы в форме волн. Когда на пути волны возникает разрыв (например, трещина), часть энергии будет отражаться обратно от поверхности дефекта. Отраженный волновой сигнал преобразуется преобразователем в электрический сигнал и отображается на экране.

На картинке ниже более подробна показана сила отраженного сигнала. Она отображается в зависимости от времени и генерации сигнала до момента получения эхо-сигнала. Время прохождения сигнала может быть напрямую связано с расстоянием, на которое прошел сигнал. Таким образом может быть определен глубина дефекта. 

ультразвуковой контроль принцип

Ультразвуковой контроль поиск дефектов рельс
поиск дефектов рельс

Преимущества метода

  • Он чувствителен как к поверхностным, так и к подповерхностным неоднородностям.
  • Большая глубина проникновения для обнаружения или измерения дефектов превосходит другие методы неразрушающего контроля.
  • При использовании метода импульсного эха требуется только односторонний доступ.
  • Он очень точен в определении положения дефекта и оценке его размера и формы.
  • Требуется минимальная подготовка.
  • Электронное оборудование обеспечивает мгновенные результаты.
  • Детальные изображения могут быть получены с помощью автоматизированных систем.
  • Он имеет и другие применения, такие как измерение толщины, в дополнение к обнаружению дефектов.

Как и во всех методах неразрушающего контроля, ультразвуковой анализ также имеет свои ограничения:

Недостатки метода

  • Поверхность должна быть доступна для передачи ультразвука. (чиста)
  • Навыки и тренировки более критичны, чем с некоторыми другими методами.
  • Для этого метода требуется, связующая среда для передачи звуковой энергии в деталь.
  • Материалы, которые являются грубыми, неправильной формы, очень маленькими, исключительно тонкими или неоднородными, трудно проверить.
  • Чугун и другие крупнозернистые материалы трудно проверить из-за низкой передачи звука и высокого уровня шума.
  • Линейные дефекты, ориентированные параллельно звуковому лучу, могут остаться незамеченными.
  • Эталонные стандарты необходимы как для калибровки оборудования, так и для определения дефектов.

Вышеупомянутое введение обеспечивает упрощенное введение в метод ультразвукового анализа. Тем не менее, чтобы эффективно выполнять проверку с использованием ультразвука, необходимо знать гораздо больше о методе. На следующих страницах нашего журнала, представлена ​​информация о научных исследованиях, касающихся ультразвукового контроля, об используемом оборудовании, некоторых используемых методах измерения, а также другая информация.

А сейчас мы предлогам вам посмотреть видео как на практике определяется радиальная трещина в среднем и верхнем слоях стыкового поперечного шва трубопровода.

Иммерсионное тестирование в ультразвуковом контроле

Испытание на погружение — это метод, при котором деталь погружается в резервуар с водой, причем вода используется в качестве соединительной среды, чтобы позволить звуковому лучу проходить между преобразователем и деталью.

При этом ультразвуковая машина установлена ​​на подвижной платформе («перемычке») сбоку от резервуара, чтобы она могла перемещаться по всей длине резервуара. Датчик устанавливается на дне водонепроницаемой трубки, которая может подниматься, опускаться и перемещаться через резервуар. Перемещение моста и трубки позволяет перемещать преобразователь по осям X, Y и Z. Все направления движения приводятся в движение зубчатым колесом, поэтому датчик можно перемещать с точным шагом во всех направлениях, а поворотный элемент позволяет ориентировать датчик так, чтобы звуковой луч входил в деталь под требуемым углом. Круглые испытательные детали часто устанавливаются на роликах с приводом, так что деталь можно вращать по мере того, как преобразователь перемещается по его длине, что позволяет испытать всю окружность. Можно использовать несколько преобразователей одновременно, чтобы можно было выполнить несколько сканирований.

Посмотрите фотографии имммерсионных автоматизированных станций и другие фото по теме

Автоматическое иммерсионное тестирование

Изображение 1 из 9

Автоматическое иммерсионное тестирование

 

 

Через деталь

При проверке детали с использованием двух преобразователей, по одному на каждой стороне детали, как показано на рисунке 13. Передающий преобразователь передает звук через деталь, а приемный преобразователь принимает звук. Отражатели в детали будут вызывать уменьшение количества звука, достигающего приемника, так что на экране презентации будет показан сигнал с меньшей амплитудой (высотой экрана).

Ультразвуковой контроль через деталь картинка 13

Поэтапный массив

Проверки поэтапной решетки выполняются с использованием зонда с несколькими элементами, которые можно активировать индивидуально. Изменяя время, когда активируется каждый элемент, результирующий звуковой луч может быть «направлен», и результирующие данные могут быть объединены для формирования визуального изображения, представляющего срез на проверяемой части.

Время дифракции пролета

Дифракция по времени пролета использует два датчика, расположенные на противоположных сторонах сварного шва, причем датчики установлены на определенном расстоянии друг от друга. Один преобразователь передает звуковые волны, а другой — в качестве приемника. В отличие от других проверок угловых балок, преобразователи не перемещаются назад и вперед по направлению к сварному шву, а перемещаются вдоль длины сварного шва, при этом преобразователи остаются на том же расстоянии от сварного шва. Генерируются две звуковые волны: одна проходит вдоль поверхности детали между преобразователями, а другая проходит вниз по сварному шву под углом, а затем возвращается обратно к приемнику. Когда встречается трещина, часть звука дифрагирует от кончиков трещины, создавая звуковую волну низкой силы, которая может быть воспринята приемным устройством.

Джеймс Гриффит и Уолтер Генри из Национального института здравоохранения США в 1973 году разработали механическое колебательное сканирующее устройство в реальном времени, которое было способно создавать четкие секторальные изображения в реальном времени с 30 градусами и хорошим разрешением. — Так появился первый УЗИ аппарат.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Спасибо!

Теперь редакторы в курсе.