Ультразвуковой метод контроля дефектов ищет то, что наружу не выходит: непровар в корне шва, трещину под валиком усиления, шлаковое включение между валиками, расслоение в толще листа. Проверка ультразвуком не разрушает изделие и не оставляет на нём следа, поэтому её ведут и на смонтированном трубопроводе, и на корпусе сосуда, работающего под давлением. Ниже разобраны физика отражённого сигнала, схемы прозвучивания, порядок контроля сварного шва, устройство и настройка прибора, а также границы метода.
От поверхностных методов ультразвук отличается охватом сечения: капиллярный контроль берёт только несплошности, открытые на поверхность, магнитопорошковый метод работает на ферромагнитной стали и читает поверхностный и подповерхностный слой, а упругая волна проходит толщу металла насквозь. Методы сопоставлены между собой в обзоре неразрушающий контроль. Цена такого охвата – контактность: волна входит в металл только через слой жидкости на зачищенной поверхности.
Что такое ультразвуковая дефектоскопия и на чём она держится
Физические основы ультразвуковой дефектоскопии умещаются в поведение упругой волны на границе сред: колебания частотой выше слышимого диапазона вводят в изделие, и в однородном металле волна доходит до противоположной стенки без промежуточных отражений. Волна отражается от границы двух сред с разным акустическим сопротивлением, и ультразвуковой метод это свойство использует напрямую: непровар, трещина и шлаковое включение – участки с чужим акустическим сопротивлением внутри стали.
Эхо от несплошности приходит на преобразователь раньше донного сигнала, отражённого от противоположной стенки, и на этой разнице держится расшифровка. Глубину залегания считают по времени пробега волны, условный размер оценивают по амплитуде эха и по протяжённости зоны, в которой сигнал держится выше заданного уровня. Дефектоскопия ультразвуком поэтому даёт координату и оценку.
Наклонный преобразователь вводит волну в металл через призму, и угол ввода задаётся преломлением на границе призма-металл. Критические углы в ультразвуковой дефектоскопии разделяют режимы: за первым критическим углом продольная волна в металл уже не проходит и работает поперечная, а именно она и нужна на шве, где прямой путь к корню закрыт валиком усиления. Значения углов зависят от пары материалов призмы и изделия и указываются для конкретного преобразователя.
Схемы прозвучивания: эхо-импульсная, теневая, зеркально-теневая и тандем
Методы контроля ультразвуковой дефектоскопии различаются схемой прозвучивания: кто излучает, кто принимает и что именно фиксируется. В эхо-импульсной схеме совмещённый преобразователь и излучает, и принимает, а признаком несплошности служит собственное эхо, вставшее на развёртке между зондирующим импульсом и донным сигналом; доступ нужен с одной стороны, и ультразвуковая дефектоскопия сварных швов держится именно на ней.
Теневая схема разносит излучатель и приёмник по разные стороны изделия и читает ослабление прошедшего сигнала, из-за чего требует двустороннего доступа и не даёт глубины залегания. Зеркально-теневая схема оставляет оба преобразователя с одной стороны и следит за донным эхом: несплошность на пути луча гасит его амплитуду. Для несплошностей, стоящих перпендикулярно поверхности, применяют схему тандем – преобразователи идут по одной линии, передний излучает, задний ловит отражение от вертикальной плоскости.
Принцип работы ультразвуковых дефектоскопов от схемы не меняется, меняется трактовка экрана: в одном случае ищут появившийся импульс, в другом – просадку уже имеющегося. Отдельными ветками стоят дифракционно-временной метод TOFD, читающий волны, которые огибают края несплошности, и преобразователи на фазированных решётках, где луч отклоняют электронной задержкой между элементами и получают секторный обзор без перестановки призмы.
| Схема | Расположение преобразователей | Что фиксируется | Где применяют |
|---|---|---|---|
| Эхо-импульсная | один совмещённый, с одной стороны | эхо между зондирующим и донным импульсами | сварные швы, поковки, односторонний доступ |
| Теневая | излучатель и приёмник по разные стороны | ослабление прошедшего сигнала | листы и тонкие сечения с двусторонним доступом |
| Зеркально-теневая | оба с одной стороны | ослабление донного эха | корень шва, зоны со слабым прямым отражением |
| Тандем | два в линию, один за другим | отражение от вертикальной плоскости | непровар и трещина перпендикулярно поверхности |
Как проводят ультразвуковой неразрушающий контроль сварных соединений
Проведение ультразвукового неразрушающего контроля начинается с подготовки поверхности: околошовную зону зачищают от брызг металла, окалины, ржавчины и краски, иначе преобразователь качается на неровности, а часть энергии уходит в рассеяние. Требования к подготовке и к самим ультразвуковым методам контроля сварных соединений собраны в ГОСТ Р 55724-2013 «Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые», а ширину зачищаемой полосы под конкретный узел назначает технологическая карта. Между призмой и металлом наносят слой контактной жидкости – геля, масла или воды: через воздушный зазор ультразвук в изделие не входит, а на морозе переходят на незамерзающие составы.
Проверка швов ультразвуком идёт продольно-поперечным сканированием: преобразователь ведут вдоль шва, одновременно перемещая его поперёк в пределах зоны сканирования и разворачивая, чтобы поймать несплошность неудачной ориентации. Шов прозвучивают с двух сторон, прямым лучом и лучом, однажды отражённым от противоположной стенки, – к корню иначе не подобраться. Ультразвуковая дефектоскопия швов кольцевого стыка трубы идёт по всему периметру, и каждую найденную несплошность описывают координатами: глубина по времени пробега, положение вдоль шва по шкале, расстояние от точки выхода луча до оси шва.
Ультразвуковая дефектоскопия сварных соединений заканчивается сравнением с нормой, и норму задаёт документ на объект: одна и та же амплитуда эха на магистральном трубопроводе и на неответственной металлоконструкции получает разные оценки. Объём, в котором ведут ультразвуковой контроль качества сварных швов, назначает технологическая карта – перечень стыков и доля длины шва. Выбор метода под конкретное соединение разобран отдельно: контроль сварных соединений.
Ультразвуковой дефектоскоп сварных соединений и его настройка
Ультразвуковой дефектоскоп сварных соединений собран из генератора зондирующих импульсов, приёмного тракта с усилителем и экрана с развёрткой типа А, где по горизонтали отложено время пробега, то есть глубина, а по вертикали – амплитуда эха. Работа ультразвукового дефектоскопа к этому и сводится: возбудить пьезоэлемент коротким импульсом, дождаться возврата сигналов и разложить их по шкале. Преобразователи ультразвуковых дефектоскопов различают по вводу волны – прямой ставят по нормали к поверхности и применяют на листе, поковке и при измерении толщины, наклонный вводит волну через призму под углом и нужен там, где дефект лежит под валиком усиления.
Настройка ультразвукового дефектоскопа выполняется по настроечным образцам до начала работ и проверяется повторно в течение смены. Определяют точку выхода луча, стрелу преобразователя – расстояние от точки выхода до передней грани призмы, угол ввода и уровень чувствительности, от которого отсчитывают браковочный и поисковый уровни. Призма стирается о металл, и вместе с износом уходят точка выхода и угол ввода: проведение ультразвуковой дефектоскопии без повторной проверки настройки даёт координаты несплошности с ошибкой, которую на экране ничем не обнаружить.
Ультразвуковая толщинометрия и дефектоскопия держатся на одном эхо-принципе, но решают разные задачи: толщиномер меряет время до донной поверхности и выдаёт остаточную толщину стенки, дефектоскоп ищет эхо, пришедшее раньше донного. Назначение ультразвуковых дефектоскопов этим и очерчено: прибор находит в изделии несплошность и привязывает её к координатам шва.
Ультразвуковой метод контроля дефектов: что берёт и где его граница
Какие дефекты выявляет ультразвуковой контроль, определяет форма несплошности: плоскостную трещину, непровар и несплавление по кромке метод берёт надёжнее всего, потому что плоскость отражает волну назад почти целиком. Объёмные поры и шлаковые включения рассеивают волну во все стороны и дают слабое эхо, зато нагляднее читаются на снимке, поэтому на ответственных швах ультразвук и радиографический контроль ставят рядом. Пора, непровар и шлаковое включение с причинами появления разобраны отдельно: дефекты сварных швов. Для ультразвука они различаются формой отражающей поверхности и ориентацией относительно луча.
На ультразвуковой контроль сварных соединений дефекты внутри шва отзываются эхом: на экране импульс, а не изображение несплошности. Тип восстанавливают по совокупности признаков – амплитуде эха, протяжённости зоны обнаружения, поведению сигнала при смене угла ввода и стороны прозвучивания. Поверхностный след – подрез, наплыв, незаваренный кратер – ультразвуку не адресован: его берёт прямым осмотром визуальный контроль.
Ультразвуковая дефектоскопия металла упирается в свойства самой волны, и часть сечения остаётся вне обзора независимо от квалификации поста. Затухание, длина зондирующего импульса и ориентация отражающей поверхности ограничивают метод ультразвуковой дефектоскопии материалов там, где эхо не отделяется на развёртке или не возвращается вовсе:
- Мёртвая зона на малой толщине – зондирующий импульс и эхо от близкой несплошности сливаются на развёртке, приповерхностный слой не прочитывается.
- Крупнозернистый аустенитный шов и наплавка – волна рассеивается на границах зёрен, полезный сигнал тонет в структурном шуме.
- Несплошность вдоль луча – отражает мало энергии обратно к преобразователю, поэтому шов прозвучивают с двух сторон и разными углами ввода.
- Частота преобразователя – высокая различает более мелкую несплошность, но быстрее гаснет в металле, поэтому её подбирают под толщину и структуру, а не под желаемую чувствительность.
Что мы автоматизируем рядом с ультразвуковым контролем
Ультразвук идёт контактно и вручную, по назначенным стыкам, и на конвейерной скорости эту работу не повторить. Мы закрываем соседнюю задачу – то, что читается по изображению: поверхность, маркировку, упаковку и геометрию каждой единицы в сплошном потоке. Зачистка полосы под преобразователь, слой контактной жидкости и доступ к шву с нужной стороны для съёмки не нужны – камера смотрит поверхность на ходу.
Граница проходит по глубине залегания: поверхностный след камера читает по изображению, а непровар в корне шва и расслоение в толще листа остаются за преобразователем. Ультразвуковой контроль ответственных стыков этим не заменяется.