Ултразвуков безразрушителен контрол
Начало > Измервателна техника > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 7, 2013
д-р инж. Радостин Касъров, експерт по UT
Разпространението на ултразвуковите вълни отдавна е намерило приложение в различни сфери от съвременния живот на човечеството. Едно важно направление от тях е техническият контрол, в който се използват различни приложни техники и достижения на науката за гарантиране качеството и експлоатационните възможности на материали, обекти и съоръжения.
Ултразвуковите методи за безразрушаващ контрол намират основно приложение при изследване на заварени съединения, изделия от различни метали, метални конструкции и елементи от тях, както и при други материали. Използват се там, където има високи изисквания към качеството, техническата безопасност и експлоатационната пригодност на различни обекти.
Прилагат се както на етапа на производство, така и при експлоатация на съоръженията. Утвърдени са като едни от най-ефективните и перспективни методи за изследване и контрол на физико-механични характеристики с универсално приложение в машиностроенето, атомната енергетика, топлоенергетиката, преноса и производство на химически и нефтопродукти, газопроводни системи, металургията, железопътния транспорт, авиацията, възобновяемите източници на енергия, както и в други области на стопанската дейност.
Ултразвуков контрол
В основата на тези методи стоят физичните процеси, възникващи в обема и по повърхнините на изследвания обект при разпространението на ултразвукови вълни, генерирани от специални излъчващи осезатели (сонди). Взаимодействието на вълните с различни несъвършенства или дефекти води до промяна на определени вълнови свойства и характеристики като енергия, трансформация, скорост и посока на разпространение, които се регистрират от приемни осезатели. Получените сигнали се подават към подходяща апаратура за последваща обработка и визуализация на процеса. За различните материали се използват ултразвукови вълни с различни честоти.
В експлоатационния контрол ултразвуковите методи са намерили широко приложение при изследване и окачествяване на отговорни заварени съединения. По този начин се създава възможност за откриване на обемни и плоски несъвършенства като пукнатини, несплавявания, шлакови и неметални включвания, газови пори, корозия, разслоявания.
Доказано е, че ефективният диапазон от използвани вълнови честоти при изследване на метали, заварени съединения, метални конструкции и елементи от тях, е от 2 MHz до 10 MHz, а при тънкостенни обекти - до 15 MHz. За постигане целите на контрола и решаване на конкретна задача се използват различни типове осезатели - нормални, ъглови, бинарни (двойни) и специални, като техният избор зависи от геометричните размери и физическите характеристики на изследвания обект.
Тези осезатели, като част от стандартното оборудване, са свързани към ултразвуков дефектоскоп и изпълняват функциите на вълнови генератори и приемници, чрез които се извършва регистриране на определено несъвършенство и последващо отчитане на неговите характеристики върху мащабирани дисплеи.
На фиг. 1 е показана класическа система за ултразвуков контрол, състояща се от дефектоскоп с два отделни наклонени (ъглови) осезателя в ролята на предавател-приемник, един комбиниран ъглов осезател, изпълняващ и двете функции през определени периоди от време, и комбиниран осезател, излъчващ и приемащ ултразвукови вълни под прав ъгъл в обема на изследвания обект.
Процесът на самото изследване може да бъде ръчен (немеханизиран) или автоматизиран (механизиран), като при втория ефективността е по-добра за голям брой контролирани обекти с повтарящи се геометрични характеристики. Пример за такива са заварените съединения на технологични тръбопроводи, включващи и тези за пренос на нефт, нефтопродукти и природен газ.
Методи за ултразвуков контрол
Основно приложим и най-разпространен е ехоимпулсният метод, реализиран чрез ъглови осезатели и двустранно сканиране на завареното съединение. При това се използва пряко, еднократно или в отделни случаи - двукратно вълново отражение от повърхнините на обекта. Необходимо е да се има предвид, че за различни дебелини на заварения метал основните характеристики на ултразвуковия контрол се различават съществено.
Така например ехоимпулсният метод, въпреки своите безспорни достойнства, е трудно приложим при изследване на обекти с дебелини до 10 mm поради естеството на физичните процеси и високите изисквания към познания, опит и степен на подготовка на операторите. Познати са и се прилагат и други ултразвукови техники за безразрушителен контрол на заварени съединения с цел постигане на максимално достоверни резултати.
С развитието на електрониката и компютърните технологии се създадоха съвременни системи, чрез които се повишава достоверността при събиране, обработка и интерпретиране на данните от ултразвуковия контрол. Един пример за това е времедифракционният метод (TOFD), при който регистрирането и оразмеряването на пукнатини е с висока степен на надеждност. Високоефективно е и автоматизираното ултразвуково изследване чрез системи от многоелементни преобразуватели, включително използващи и фазови решетки – SAFT.
Развитието на компютърната техника създаде възможност за online обработка на получената информация с помощта на спектрални анализатори, уейвлет преобразуване и представяне на откритите несъвършенства в В-скан изображение. Постигнати са определени успехи при моделиране разпространението на ултразвуковите вълни в среди със свойства, максимално близки до реалните.
Ултразвукова дебелометрия
Една важна част от технологичния контрол е едностранното измерване на дебелини, познато като ултразвукова дебелометрия. Тя се осъществява чрез нормални или бинарни осезатели по класическия ехоимпулсен метод. Въведените в обекта ултразвукови вълни изминават разстоянието от излъчващата пластина на осезателя, разположен върху едната повърхнина на обекта до срещуположната стена, преминавайки през сечението на материала, отразяват се и се връщат отново до осезателя, работещ през определени периоди и като приемник.
При бинарните осезатели излъчващата и приемаща пластини са разположени в един корпус и работят независимо, което е предимство. Електронната система в ултразвуковия апарат, наречен дебеломер, измерва времето, за което вълните са преминали разстоянието между двете повърхнини на обекта и при предварително заложена скорост отчита изминатия път, т. е. дебелината на изследвания обект.
Методът е изключително ефективен за контрол на отговорни обекти и съоръжения, при които има достъп само до едната от повърхнините им като тръбопроводи, съдове, работещи под налягане, и съоръжения със сложни конструкции. По този начин е възможно да се извършва мониторинг върху действителното техническо състояние на обекта, отчитайки неговата остатъчна дебелина.
Така например върху базата на получените резултати може да се създаде корозионна карта на един или система от технологични тръбопроводи или съдове, работещи под налягане, които са подложени на ускорено корозионно или ерозионно износване. Това е изключително важно за определяне на скоростта на износването и планиране на ремонтно-възстановителните дейности на тези обекти.
Предимства на ултразвуковия контрол
Като основни предимства на ултразвуковия безразрушителен контрол могат да се посочат: мобилност - ултразвуковите апарати са удобни за работа във всякакви условия дори на труднодостъпни места; възможност за избор на различни техники и схеми за контрол с цел постигане на висока чувствителност и достоверност на получените резултати; възможност за автоматизиране при изискване за по-висока ефективност; възможност за online събиране на данни и документиране на резултатите в етапите на самия контрол; нисък разход на материали и консумативи; при използването му не се замърсява околната среда и не се създава зона с висока радиоактивност за разлика от радиографичния безразрушителен контрол; основен безразрушителен метод за контрол и оценка на физико-механични характеристики на материали.
Разбира се, ултразвуковите безразрушителни методи са само една част от общия технологичен контрол, но информацията, получена чрез тях, позволява да се оцени реалното техническо състояние на изследвания обект. Продължават разработките на софтуерни продукти, обхващащи целия процес на безразрушаващия контрол – от предварителната подготовка до прецизната обработка на получените резултати, спомагащи да се определи остатъчният ресурс на контролираните обекти и съоръжения.
Вижте още от Измервателна техника
Ключови думи: ултразвук, безразрушителен контрол, TOFD, SAFT, дебелометрия
Новият брой 6/2024
