Ултразвукова дефектоскопия в металургията и машиностроенето

Измервателна техникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2014

Ултразвуковите методи за изследване, с чийто принцип на работа подробно ви запознахме в бр. 7/2013 на сп. Инженеринг ревю, намират широко приложение при контрола на структурата и физико-механичните свойства на материалите. Чрез тях могат да се определят важни свойства като например големината на зърната в стоманите.

Това се извършва чрез метода на относителния ултразвуков структурен анализ, при който като критерий за определяне едрината на зърната служи отношението на амплитудите на дънните ехо-сигнали, получени при прозвучаване на изделието чрез ехо-импулсния метод на различни честоти, но при постоянен коефициент на усилване.

Предварително се изработват различни контролни образци и по тях се определят структурните коефициенти за всеки един от тях. След това се извършва металографски анализ и се съпоставя получената амплитуда на сигнала в зависимост от големината на зърната, констатирана чрез същия анализ.

Друго приложение на ултразвуковите вълни е определянето на модула на еластичност и коефициента на Поасон - m. Тук е необходимо да се познава скоростта на разпространение на ултразвуковите вълни в съответния материал. Тя може да се определи чрез метода, основаващ се на отчитане на времето за преминаване на ултразвуковата вълна през образец с известна дължина, изработен от същия материал.

Друг метод за изследване на характеристиките на материалите използва определяне ъглите на пречупване и отражение на ултразвуковите вълни при преминаване от една среда в друга. Но тук има едно основно ограничение – приложим е само при материали със сравнително ниска степен на поглъщане на ултразвуковите вълни.

Ултразвуковият безразрушаващ контрол се използва и за изследване на целостта на материалите, полуфабрикатите, детайлите и изделията в условията на производство и експлоатация. В статията ще посочим само няколко примера, без да претендираме за обхващане на целия сегмент от дейности, в които ултразвуковият контрол е основен метод за окачествяване в процеса на производство и експлоатация.

Контрол на отливки
Едно от важните приложения на ултразвуковите методи е контролът на отливки. Такива са слитъците от различни метали и сплави - стомани, алуминий, магнезий, титан и други, предназначени за изготвяне на полуфабрикати и изделия, които се характеризират с относително големи размери и проста форма с неравна повърхнина и едрозърнеста структура.

Основната цел на контрола тук е да бъдат открити дефектите с металургичен произход – раковини, пористост, неметални включвания (шлак и окиси), горещи пукнатини и други, които са възникнали в процеса на производство. Изследването се извършва най-вече чрез ехо-импулсен ултразвуков метод с помощта на контактни или имерсионни осезатели с нулев ъгъл или бинарни за надлъжни вълни, работещи на честоти от 0,25MHz до 1 MHz.

Контрол на листов прокат
Ултразвуковият контрол намира употреба и при окачествяване на прокат за по-отговорни изделия. Тук се използват различни осезатели - нормални, ъглови осезатели или комбинация между тях. Листовият прокат се контролира с автоматични ултразвукови установки на самите металургични предприятия.

Тук листите се движат по ролганги във водна вана и преминават между две стойки във формата на хоризонтални ленти, перпендикулярни на движението на листите, с разположени върху тях набори от осезатели. Резултатите от контрола се записват от самописци. Използват се нормални вълни при контрол на относително тънки листи, а за тези с по-голяма дебелина се използват надлъжни вълни чрез ехо-импулсния метод.

В зависимост от поставената задача е възможно да се приложи методът на пропускане, при който излъчващият и приемащият осезатели се разполагат от двете страни на контролирания лист. За наличието на дефект се съди по интензитета на преминалите ултразвукови вълни през материала, регистрирани от приемащия осезател.

Контрол на ковани и щамповани детайли
Друго приложение на ултразвуковия контрол е окачествяването на ковани и щамповани детайли. Такива са едрогабаритните масивни изковки – например заготовките за роторите на турбогенераторите, дисковете на турбини и компресори и др. Тяхната структурата се различава от тази на отливките, тъй като металът тук е пластично деформиран. Обикновено се търсят вътрешни дефекти като флокени, остатъци от раковини, различни включвания, пукнатини в резултат на коването, вътрешни нецялостности, разслоения и други.

Практиката е доказала, че по-голяма част от металургичните дефекти след обработка под налягане се преобразуват в тънки плоски нецялостности. В тези случаи окачествяването се извършва по регистрираната площ на тези участъци. Тъй като тук разсейването на ултразвуковите вълни е значително по-малко от това при отливките, се създава възможност да се контролират детайли на дълбочини до 2 m чрез подбор на подходящ осезател и честоти от 0,25 MHz до 1 MHz.

Щампованите заготовки и изделия се характеризират с по-високата степен на деформиране от тази на изковките, което създава възможност за увеличаване на честотния диапазон на осезателите и повишаване нивата на чувствителност.

Изследване на резбови съединения
Друго приложение на ултразвуковите вълни е контролът на различни резбови съединения. Обекти са болтовете и шпилките, закрепващи корпусите и капаците на различни видове турбини и турбогенератори. Също така шпилките, закрепващи капаците на атомните реактори.

В определени случаи се използва методика на контрол с главни вълни по схемата "тандем". Тук главните вълни се влияят слабо от неравностите, намиращи се близо до външната повърхнина, в т.ч. резбовите нитки, и са особено чувствителни към пукнатини, намиращи се под резбата.

Друг пример са резбовите съединения на бурилни тръби. Те работят при високи знакопроменливи натоварвания, които се явяват причина за възникване на уморни пукнатини в резбовата част, което води до сериозна авария. Контролът се извършва по външната повърхнина с ъглови осезатели по специална методика или се повтаря и по вътрешната повърхнина при тръбите с по-големите диаметри.

Разбира се познати са и други безрарушаващи методи за контрол на резбите на отговорни съединения, но само при ултразвуковия контрол това може да се извърши без да се разглобява съответното изделие или съоръжение.

Изследване лопатките на турбини и компресори
Ултразвуковия контрол е широко приложим и при изследване лопатките на турбини и компресори. С помощта на специализирани осезатели, излъчващи повърхностни ултразвукови вълни с честоти от 1,5 до 2,5 се откриват най-опасните дефекти като уморните пукнатини, възникващи по ръбовете на лопатките и развиващи се перпендикулярно на стените им.

Контрол на ротори и барабани
Роторите на реактивните двигатели са особено отговорно изделие. Тук за качествен технологичен контрол се използва ехо-импулсния ултразвуков метод чрез два способа – контактен и имерсионен. По-разпространен е имерсионният вариант, тъй като детайлите на роторите на реактивните двигатели имат относително тънко сечение и сложна форма, което до някаква степен затруднява разчитането на резултатите при контактния ехо-импулсен метод.

Друг пример е контрола на барабаните на самолетните колела. При тях вследствие на експлоатация се наблюдават случаи на уморно разрушаване на колелата. Развитието на пукнатини се наблюдава в участъци, които са покрити от гумата или уплътненията.

Тук могат да бъдат използвани и други методи за контрол – капилярен и вихровотоков, но при тях се налага да бъде разглобено колелото, което само по себе си е доста трудоемка операция и съответно нискоефективна. Затова ултразвуковия контрол е предпочитан и се провежда непосредствено на самолета без да се налага демонтаж и разглобяване на колелото.

Откриване на корозия
Ултразвуковия метод се намира широко приложение и за определяне големината на проникване на корозията в металите. Тук в качеството на показател за разсейването на ултразвуковите вълни се приема отношението между амплитудите на ехо-сигналите при прозвучаване на образци с наличие на различна степен на корозия и такива, при които тя липсва. Изследването се извършва при фиксирана честота на разпространение на ултразвуковите вълни и постоянен коефициент на усилване.

Приложение при различни материали
Ултразвуковия безразрушаващ контрол е доказал своята универсалност чрез възможността си за приложения при различни материали. Така например в самолетостроенето се изработват въздушни винтове, чийто лопатки са съставени от различни материали, включително полимерни композитни. Задачата на контрола при тях е да се открият дефекти между обшивката и лонжерона, обшивката и пенопласта, лонжерона и пенопласта. На практика това се осъществява чрез резонансен ултразвуков метод.

Ултразвуковите вълни се използват и при контрол на съединенията в многослойни листови конструкции, които са изпълнени от два или повече залепени помежду си листи. Дебелината на листите може да бъде еднаква или различна, а материала обикновено е алуминий и полимерни композитни материали.

Като успешно прилаган метод за контрол, ултразвуковият е единствения използван при съединенията на тръби изработени от армирани пластмаси (стъклопластмаси) и неармирани пластмаси (полиетилен). В тръбопрoвoдите от стъклопластмаси сe изследва качеството на залепените съединения между тръбите с диаметри 500 – 800mm и закрепящите ги муфи. При неармираните на контрол се подлага стиковото заварено съединение.

Използва се още и при контрол на специални композитни материали – матрични, адаптивни полимерни и такива от типа: въглерод-въглерод. Те се използват в космическата индустрия за многократно използване и работа при високи температури. Ултразвукът е основен метод за контрол на стъкло и керамика.

Например различните по форма и предназначение изолатори за електроразпределителните мрежи. Чрез ултразвук могат да се контролират и различни видове неметални покрития на отговорни изделия или съоръжения. Тези покрития изпълняват ролята на термозащита, термоизолация предпазване от корозия и др.

Описаните в тази статия приложения са само една част от възможностите на ултразвуковият безразрушаващ контрол, който е основен метод за окачествяване и гарантиране на техническата безопасност и експлоатационната пригодност на изделията и съоръженията в нашето съвремие.

д-р инж. Радостин Касъров, експерт по UT

Новият Специален брой: Пазарът на металорежещи и металообработващи машини в България/2019

Специален брой: Пазарът на металорежещи и металообработващи машини в България-2019

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

Top