Ультразвуковой контроль

Дефектоскопы для контроля композитов и материалов с большим затуханием	Механические устройства	Образцы для ультразвуковой дефектоскопии	Сканирующие устройства
Соединительные кабели	Ультразвуковые дефектоскопы для контроля сварных соединений и материала	Ультразвуковые преобразователи (ПЭП)	Ультразвуковые толщиномеры

Ультразвуковой контроль эхо-методом и его основные параметры

Задачи ультразвукового контроля

Ультразвуковой контроль (УЗК) используется для обнаружения внутренних дефектов в материалах и сварных соединениях. Этот метод позволяет выявлять различные виды дефектов, такие как непровары, несплавления, трещины, поры и шлаковые включения.

Объекты ультразвукового неразрушающего контроля

УЗК применяется для контроля сварных соединений и основного металла, а также для диагностики технических устройств, зданий и сооружений на опасных производственных объектах. Включает в себя строительные конструкции, трубопроводы, резервуары и другие технические устройства.

Типы ультразвуковых волн

Для УЗК используются продольные, поперечные (вертикально и горизонтально поляризованные), головные, поверхностные и нормальные волны. Выбор типа волн зависит от конкретной задачи и характеристик объекта контроля.

Общий порядок выполнения УЗК сварных соединений

1. Подготовка поверхности: Очистка поверхности для обеспечения надлежащего контакта между преобразователем и объектом контроля.

2. Калибровка оборудования: Использование настроечных образцов для калибровки ультразвукового дефектоскопа.

3. Проведение контроля: Прозвучивание объекта с использованием ультразвуковых волн, анализ полученных эхо-сигналов.

4. Интерпретация результатов: Сравнение полученных данных с нормами отбраковки, изложенными в нормативной технической документации.

Ультразвуковая толщинометрия

Этот метод позволяет измерять толщину стенок изделий, что особенно важно для оценки их износостойкости и прочности. Ультразвуковые толщиномеры работают на принципе измерения времени прохождения ультразвуковых волн через материал и их отражения от противоположной поверхности.

Параметры ультразвукового контроля

Основные параметры включают частоту ультразвуковых волн (обычно от 0,5 до 20 МГц), амплитуду и время прихода эхо-сигналов. Эти параметры позволяют определить размеры и глубину залегания дефектов в объекте контроля.

Дефектоскописты ультразвукового контроля

К проведению УЗК допускаются только аттестованные дефектоскописты, прошедшие соответствующее обучение и сертификацию. Эти специалисты обязаны строго соблюдать нормативные требования и методики, изложенные в соответствующей документации.

Технология ультразвукового контроля (УЗК) эхо-методом

Эхо-метод УЗК основан на отражении ультразвуковых волн от внутренних дефектов или границ раздела сред. Пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) генерирует ультразвуковые волны, которые распространяются в материале и отражаются от дефектов или донной поверхности. Возвращённые эхо-сигналы фиксируются ПЭП, и по времени их прихода и амплитуде определяется расположение и размеры дефектов.

• Прямые ПЭП: Используются для введения ультразвуковых волн под прямым углом.

• Наклонные ПЭП: Применяются для прозвучивания под углом, что позволяет исследовать труднодоступные зоны и сложные геометрии соединений.

Эхо-сигналы от дефектов фиксируются и анализируются с помощью ультразвукового дефектоскопа. На основе анализа сигналов строится изображение внутренней структуры объекта, позволяющее выявить и классифицировать дефекты.

Эхо-метод является наиболее распространённым и универсальным методом УЗК, позволяющим с высокой точностью обнаруживать дефекты в различных материалах и конструкциях.

Ультразвуковой контроль эхо-методом: Цели и Основные Задачи

Ультразвуковой контроль (УЗК) эхо-методом широко применяется для оценки состояния сварных соединений и основного металла в различных промышленных отраслях. Основные задачи и цели УЗК включают:

Выявление Внутренних Дефектов

Эхо-метод позволяет обнаруживать:

• Поры: Мелкие пустоты в материале.

• Расслоения: Отслоение слоев материала.

• Трещины: Разрывы в материале.

• Непровары и Несплавления: Недостаточное слияние сварных участков.

• Шлаковые Включения: Захваченные частицы шлака в сварном шве.

Выявление Поверхностных Дефектов

При использовании поверхностных волн, распространяющихся вдоль границы раздела материала, можно выявить дефекты, выходящие на поверхность, такие как:

• Трещины и поры на поверхности материала.

Измерение Параметров Дефектов

Эхо-метод позволяет:

• Измерять размеры дефектов: Протяжённость, ширину, высоту и эквивалентную площадь.

• Определять местоположение и глубину залегания дефектов.

Определение Типа Дефектов

Использование различных методов и инструментов, таких как фазированные решетки и TOFD (дифракционно-временной метод), помогает:

• Идентифицировать тип дефектов: Определение природы дефекта с использованием коэффициента формы и анализа сканов (B-, D-, C-, S-сканы).

Измерение Толщины Стенок

УЗК также используется для:

• Измерения фактической толщины стенок: Выявление недопустимых утонений материала, что критически важно для оценки остаточного ресурса и прочности конструкций.

Преимущества Ультразвукового Контроля

УЗК имеет несколько ключевых преимуществ по сравнению с другими методами неразрушающего контроля, такими как радиографический контроль:

1. Безопасность: УЗК не несет вреда для здоровья дефектоскопистов, в отличие от радиографического контроля, который использует ионизирующее излучение.

2. Экономичность: Оборудование для УЗК обычно дешевле, и отсутствуют затраты на химико-фотографическую обработку пленок.

3. Эффективность: УЗК позволяет быстрее проводить контроль, поскольку нет необходимости в создании рентгенозащитных камер и оформлении специальных лицензий.

4. Мобильность: Возможность контроля без остановки эксплуатации объекта и без дренирования рабочих сред, что важно для трубопроводов и других объектов.

Современные Технологии УЗК

Механизированные и автоматизированные системы УЗК, такие как системы с фазированными решетками и дифракционно-временные методы, значительно повышают чувствительность и точность контроля. Они позволяют обнаруживать как плоскостные, так и объемные дефекты, предоставляя более детальную информацию о состоянии материала.

Ограничения и Недостатки Ультразвукового Контроля

Ультразвуковой контроль (УЗК) эхо-методом обладает значительными преимуществами, но также имеет ряд ограничений и недостатков, которые могут влиять на его эффективность и точность.

Помехоустойчивость

1. Высокий уровень шумов и помех:

• Материалы с крупнозернистой структурой и высоким коэффициентом затухания (например, аустенитная сталь, бета-титан, чугун с пластинчатым графитом) подвержены сильному рассеиванию колебаний, что затрудняет проведение УЗК.

• Акустические волны могут терять энергию и искажаться, что приводит к снижению точности выявления дефектов.

Неоднородность Акустических Свойств

1. Анизотропия упругих свойств:

• В материалах с анизотропией (различие свойств в зависимости от направления) ультразвук распространяется с разной скоростью и затуханием. Это может приводить к отклонению пучка от прямолинейного распространения.

• Проблема особенно актуальна для стальных труб большого диаметра, где скорость звука неоднородна по толщине стенки. Решение - послойный ультразвуковой контроль.

Сложность Интерпретации Сигналов

1. Зависимость от квалификации персонала:

• Дефектоскописты должны иметь высокую квалификацию, чтобы правильно интерпретировать сигналы на развёртке и избежать ошибок. Неправильная интерпретация может привести к недобраковке или перебраковке.

• Практикуется 100%-ный или выборочный дубль-контроль для повышения точности результатов.

Низкая Точность Оценки Размеров Дефектов

1. Измерение условных размеров:

• Условная протяжённость дефектов часто превышает их фактические размеры. Измерения условной ширины и высоты ещё менее точны, что усложняет определение реальных характеристик дефектов.

• Фазированные решётки и TOFD-метод улучшают точность измерений.

Необходимость Подготовки Поверхности

1. Зачистка поверхности ввода:

• Поверхность должна быть очищена от коррозии, брызг металла, лакокрасочных и иных покрытий для обеспечения качественного контакта с ПЭП. Требуемая шероховатость поверхности не должна превышать Ra 6,3 мкм.

• Зачистка может занимать значительное время и требует дополнительных усилий.

Использование Контактной Жидкости

1. Контактная жидкость (КЖ):

• Для обеспечения акустического контакта с объектом контроля используются различные КЖ: моторное масло, глицерин, пропиленгликоль и другие.

• Контактная жидкость может создавать дополнительные трудности: она должна быть всегда под рукой, её необходимо удалять после завершения контроля. Каждый тип КЖ имеет свои недостатки (например, моторное масло пачкает, вода замерзает и т.д.).

Объекты Применения Ультразвукового Контроля

Ультразвуковой контроль (УЗК) эхо-импульсным методом широко используется для обследования различных объектов, где необходимо выявление внутренних дефектов и оценка состояния материала. Вот несколько примеров объектов, на которых применяется этот метод:

1. Трубопроводы:

• Технологические, промысловые и магистральные трубопроводы: газовые, нефтяные, для нефтепродуктов, паровые и для прочих рабочих сред.

• Соединительные детали и узлы трубопроводов: в частности, газопроводов и нефтепроводов.

2. Бурильные трубы:

• Проверка состояния бурильных труб для обеспечения их надежности и долговечности при бурении.

3. Резервуары:

• Вертикальные стальные резервуары (РВС) и горизонтальные резервуары: для хранения различных жидкостей, включая нефть и нефтепродукты.

4. Котлы:

• Водогрейные, пароводогрейные, электрокотлы, котлы-утилизаторы и бойлеры: проверка состояния сварных соединений и основного металла для предотвращения аварий.

5. Железнодорожное оборудование:

• Рельсы, стрелочные переводы, колёсные пары, боковые рамы и литые детали тележек грузовых вагонов: обеспечение безопасности и надежности железнодорожного транспорта.

6. Грузоподъёмное оборудование:

• Краны и крановые пути: контроль сварных соединений и металлоконструкций для предотвращения аварий.

7. Ёмкостное оборудование:

• Сосуды и аппараты под давлением: такие как изотермические хранилища, фильтры, сепараторы, теплообменники, ректификационные колонны.

8. Оборудование взрывопожароопасных и химически опасных производств:

• Проверка состояния изотермических хранилищ, фильтров, сепараторов и других устройств, работающих под давлением пара, газа и жидкостей.

9. Металлоконструкции:

• Металлоконструкции технических устройств, зданий и сооружений на опасных производственных объектах (ОПО).

10. Мостовые строения:

• Контроль сварных соединений и основных металлических конструкций мостов для обеспечения их безопасности.

11. Корпуса насосов:

• Оценка состояния корпусов насосов и аналогичного оборудования для обеспечения их долгосрочной эксплуатации.

Применение УЗК в Промышленности

УЗК сварных соединений и основного металла неразрушающим методом эффективно выявляет развивающиеся дефекты, возникшие в результате эксплуатации. Этот метод используется для:

• Входного и выходного контроля: проверка нового оборудования и деталей перед их вводом в эксплуатацию.

• Технического диагностирования: периодическая проверка состояния оборудования в процессе эксплуатации.

• Экспертизы промышленной безопасности ОПО: оценка состояния объектов на опасных производственных объектах для предотвращения аварийных ситуаций.

Результаты ультразвукового контроля, такие как измерение остаточной толщины стенки, являются важными параметрами для расчёта рабочего ресурса технических устройств, что позволяет своевременно планировать их ремонт или замену.

Типы волны, используемых в ультразвуковом контроле​

Типы волн, используемых в ультразвуковом контроле, включают:

• продольные, 

• поперечные, 

• головные, 

• поверхностные (волны Рэлея) и нормальные.

Продольные волны характеризуются направлением колебательного движения частиц, которое совпадает с направлением волны. Они используются для поиска дефектов и измерения толщины стенки металлов. Скорость продольной волны зависит от материала и колеблется от 5 900 до 5 940 м/с для углеродистых сталей и от 5 770 до 6 140 м/с для нержавеющих сталей.

Поперечные волны, напротив, характеризуются колебательным движением частиц, перпендикулярным направлению волны. Они могут быть вертикально-поляризованными или горизонтально-поляризованными и используются для обнаружения дефектов на металлических поверхностях. Скорость поперечной волны в углеродистых сталях составляет от 3 220 до 3 250 м/с, а в нержавеющих - от 3 200 до 3 310 м/с.

Головные волны включают различные типы ультразвуковых волн, такие как продольно-поверхностные, боковые и продольные подповерхностные волны. Они активно используются для обнаружения дефектов на глубине от 2 до 8 мм в металлических изделиях.

Поверхностные волны, или волны Рэлея, формируются вдоль свободной или слабонагруженной границы твердого тела и применяются для обнаружения поверхностных дефектов.

Нормальные волны формируются в твёрдых пластинах и слоях и используются для контроля различных металлических объектов.

При ультразвуковом контроле часто применяются различные типы волн одновременно, чтобы повысить эффективность обнаружения дефектов.

Ручной ультразвуковой контроль сварных соединений эхо-импульсным методом: общий порядок действий​

Рассмотрим на примере стыковых сварных соединений основные процедуры при проведении РУЗК.

1. Осмотр объекта контроля, оценка его контроледоступности и разметка. Сварной шов и околошовная зона должны быть зачищены от краски, ржавчины, окалины, загрязнений. Шероховатость чаще всего должна составлять не более Ra 6,3 мкм (Rz 40 мкм) - проверяют это при помощи аттестованных образцов шероховатости поверхности сравнения (ОШС) либо - реже - профилометра или профилографа. При использовании мерительного пояса - обозначение начала и направление отсчёта координат. Поскольку обычно проведению УЗК предшествует, как минимум, ВИК, то для всех видов неразрушающего контроля точку начала отсчёта координат берут одну и ту же. При его отсутствии мерительного пояса - может выполняться разметка периметра шва, например, при помощи маркера по металлу на участки по 300-500 мм. Если на ОК заложен РК с использованием форматной радиографической плёнки - то НТД и операционная технологическая карта могут требовать размечать стык с учётом размера плёнки.

2. Определение параметров пьезоэлектрического преобразователя. У прямых ПЭП к таковым относится задержка в протекторе (у РС ПЭП - в призмах), лучевая разрешающая способность, мёртвая зона. У наклонных ПЭП - точка выхода, стрела, задержка в призме, угол ввода, лучевая разрешающая способность, мёртвая зона. Параметры определяют на калибровочных образцах - мерах типа СО-3, СО-2, V1, V2, СО-3Р и др. Какие именно параметры ПЭП нужно проверять - оговаривается в НТД и операционной технологической карте ультразвукового контроля.

3. Настройка глубиномера. Собственно, определение задержки в призмах (протекторе) у прямых ПЭП и задержки в призме, угла ввода и стрелы у наклонных ПЭП - также относится и к настройке глубиномера. Она также включает в себя выбор шкалы развёртки (например, в мм глубины или в мм пути по лучу), её задержки и длительности (зоны контроля), скорости ультразвука в материале, выставление стробов и пр. От этого зависит точность определения координат дефектов - глубины залегания, расстояния до него по поверхности ввода, а также его условных размеров - протяжённость, ширины, высоты.

Ручной ультразвуковой контроль сварных соединений эхо-импульсным методом включает следующие основные процедуры:

1. Осмотр и подготовка объекта контроля:

• Проверка контроледоступности и разметка сварного шва и околошовной зоны.

• Зачистка сварного шва от краски, ржавчины, окалины и других загрязнений.

• Проверка шероховатости поверхности при помощи аттестованных образцов шероховатости или профилометра.

• Определение начала и направления отсчёта координат, либо разметка периметра шва.

2. Определение параметров пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП):

• Определение задержки в протекторе (или призмах) у прямых ПЭП и других параметров, таких как лучевая разрешающая способность и мёртвая зона.

• Для наклонных ПЭП определение точки выхода, стрелы, угла ввода и других характеристик.

• Параметры проверяются на калибровочных образцах согласно требованиям НТД и операционной технологической карте.

3. Настройка глубиномера:

• Определение задержки в призмах (протекторе) для прямых ПЭП и других параметров для наклонных ПЭП.

• Выбор шкалы развёртки, задержки и длительности зоны контроля, скорости ультразвука в материале, настройка стробов и других параметров.

• Это важно для точного определения координат дефектов, их глубины залегания и размеров.

Эти процедуры гарантируют правильное проведение ультразвукового контроля и точное обнаружение дефектов в сварных соединениях.

Настройка чувствительности в ультразвуковом контроле зависит от выбранного режима контроля. Два основных режима это Временная Регулировка Чувствительности (ВРЧ) и Амплитудно-Расстояний Диаграммы (АРД). ВРЧ требует настройки настроечных образцов для выравнивания чувствительности, в то время как АРД использует предустановленные диаграммы без необходимости настройки настроечных образцов.

1. Временная Регулировка Чувствительности (ВРЧ):

• Настроечные образцы с опорными точками используются для выравнивания чувствительности на разных глубинах.

• Отражатели (зарубка, боковое цилиндрическое отверстие, плоскодонное отверстие и другие) на разной глубине обеспечивают одинаковую высоту эхо-сигнала на развёртке.

• Кривая ВРЧ формируется на основе эхо-сигналов от опорных точек и отображается на развёртке.

2. Амплитудно-Расстояний Диаграммы (АРД):

• Предустановленные диаграммы используются для измерения эквивалентной площади отражателя без настройки настроечных образцов.

• Режим не подходит для работы с Раздельно-Совмещёнными (РС) ПЭП и объектами с малой толщиной и малым радиусом кривизны.

• АРД-диаграммы рассчитываются индивидуально для каждого ПЭП с учётом его характеристик.

3. Амплитуда-Расстояние Кривая (АРК) или DAC (дистанционно-амплитудная коррекция):

• Этот режим также строит кривую, показывающую зависимость между амплитудой эхо-сигнала и расстоянием до отражателя.

• В отличие от ВРЧ, здесь не происходит выравнивание амплитуд отражателей на разной глубине.

• От АРД-диаграмм режим отличается тем, что не измеряет эквивалентную площадь дефектов и требует использования настроечных образцов.

Важно, чтобы настройка уровней чувствительности (браковочного, контрольного и поискового) происходила при той же температуре, что и ультразвуковой контроль. НТД и ОТК предоставляют указания по настройке чувствительности, включая требования к размерам отражателей и уровням чувствительности.

1. 
   

Прозвучивание объекта:

• Оператор прижимает датчик к поверхности с контактной жидкостью и выполняет возвратно-поступательные поперечно-продольные или продольно-поперечные движения с поворотом датчика (для наклонного ПЭП) или вращением (для прямого ПЭП).

• Шаг перемещения пьезоэлектрического преобразователя не должен превышать 2-3 мм, чтобы не пропустить участков.

• Наблюдение за осцилляциями сигналов на экране дефектоскопа для предотвращения пропуска эхо-сигналов, достигающих контрольного уровня.

• Звуковая и световая автоматизированная система дополнительно помогает оператору.

6. Измерение амплитуды и размеров дефектов:

• Измерение максимальной амплитуды эхо-сигналов от дефектов или их эквивалентной площади.

• Измерение условных размеров дефектов с указанием погрешности, оговоренной в НТД и ОТК (обычно не превышает +/- 1,0 мм).

7. Сохранение результатов:

• "Замораживание" изображения развёртки для последующего анализа.

• Обозначение мест дефектов мелом или маркером на поверхности объекта контроля.

8. Периодическая проверка настроек чувствительности:

• Проверка каждый час, каждые 3 часа или после контроля каждого стыка, в зависимости от требований НТД и ОТК.

9. Оформление результатов:

• Дефекты классифицируются как допустимые и недопустимые по амплитуде, протяжённости и расположению.

• Формат заключения/протокола/акта определяется НТД и согласовывается с заказчиком.

• Запись дефектов включает условные обозначения, глубину залегания, координаты, амплитуду, протяжённость и др.

• Объект контроля классифицируется как "годен", "ремонтировать" или "вырезать" в зависимости от обнаруженных дефектов и их параметров.

Фазированные решётки (ФР) в ультразвуковом контроле представляют собой особые датчики с массивом элементов, излучающих волны с задержкой, что позволяет формировать фронт волны с определенным углом. Оператору необходимо всего лишь установить зону сканирования, и датчик автоматически обнаруживает дефекты в этой зоне. Это позволяет получить наглядные и детализированные отчеты в режиме реального времени, с минимальной или даже отсутствующей "мертвой зоной". Производительность ультразвукового контроля с ФР значительно выше по сравнению с традиционными одноэлементными датчиками, достигая увеличения в 3-4 раза.

Дифракционно-временной метод (TOFD) также широко применяется в ультразвуковом контроле. Он основан на регистрации дифрагированных волн на краях несплошностей, что позволяет эффективно выявлять точечные дефекты и другие неоднородности в материале. TOFD обеспечивает высокую точность измерения размеров дефектов, достигая ±1 мм, и считается полноценной заменой радиографическому методу, особенно для дефектоскопии низколегированных и нелегированных углеродистых сталей.

Ультразвуковая толщинометрия выполняется для измерения толщины стенок объектов, когда механические измерительные инструменты не применимы или нецелесообразны. Существует несколько методов ультразвуковой толщинометрии, включая эхо-метод, который позволяет измерять толщину с одностороннего доступа к объекту контроля. УЗТ важна для обеспечения надежного контроля качества в различных отраслях промышленности.

Общая цель ультразвукового контроля и толщинометрии состоит в обеспечении безопасности и надежности эксплуатации материалов и конструкций, а также в выявлении дефектов и неоднородностей, которые могут привести к авариям или отказам оборудования.

Параметры ультразвукового контроля играют важную роль в обеспечении его эффективности и достоверности. Рассмотрим некоторые из них подробнее:

1. Длина волны: Она влияет на размеры дефектов, которые можно обнаружить. Меньшая длина волны позволяет обнаруживать более мелкие дефекты. Также длина волны влияет на мёртвую зону и ближнюю зону, а также на уровень структурных помех.

2. Частота: Влияет на разрешающую способность и уровень шумов на развёртке. Высокая частота может повысить разрешение, но также может увеличить уровень шума.

3. Угол ввода: Определяет угол между направлением излучения и нормалью к поверхности. Это важный параметр, который влияет на эффективность обнаружения дефектов.

4. Чувствительность: Включает предельную, эквивалентную и реальную чувствительность, определяющую минимальные размеры дефектов, которые могут быть обнаружены.

5. Погрешность измерения координат: Важно знать точность измерений для правильной интерпретации результатов контроля.

6. Мёртвая зона: Область вблизи поверхности, где не возможно обнаружить дефекты заданного размера при определённой настройке дефектоскопа.

7. Минимальный условный размер фиксируемой несплошности: Определяет размеры дефектов, которые можно обнаружить.

8. Стабильность акустического контакта: Важно поддерживать стабильный контакт между датчиком и поверхностью для достоверных результатов контроля.

Эти параметры являются ключевыми для обеспечения надежности и эффективности ультразвукового контроля. Оператор должен учитывать их при проведении контрольных операций.

Параметры аппаратуры для ультразвукового контроля также играют ключевую роль в обеспечении эффективности и надежности контроля. Рассмотрим некоторые из них:

1. Рабочая частота ПЭП: Это определяет глубину проникновения ультразвуковых волн и влияет на разрешающую способность контроля.

2. Условная чувствительность: Определяет разность между показаниями аттенюатора при определенной настройке и показанием, при котором сигнал от БЦО диаметром 6 мм на определенной глубине фиксируется на развёртке.

3. Угол призмы: Определяет угол падения ультразвуковой волны на поверхность контролируемого объекта.

4. Погрешность глубиномера дефектоскопа: Важно знать точность измерений глубины дефектов для правильной интерпретации результатов контроля.

5. Длительность зондирующего импульса: Определяет временной интервал, в течение которого генерируется ультразвуковой импульс.

6. Размер и форма пьезоэлемента преобразователя: От размера пьезоэлемента зависит формирование акустического поля и разрешающая способность контроля.

7. Параметры сканирования: Включают выбор траектории перемещения ПЭП, шаг сканирования, частоту следования зондирующего импульса и другие.

8. Зазор между контактной поверхностью ПЭП и объектом контроля: Важно поддерживать контактную жидкость для передачи ультразвуковой энергии на поверхность объекта.

Для обеспечения правильного ультразвукового контроля необходимо учитывать как параметры метода, так и параметры аппаратуры, а также иметь высокую квалификацию и опыт работы оператора контроля. Обучение и аттестация специалистов по ультразвуковому контролю проводятся в специализированных центрах, где изучаются основы физики, аппаратура, методы контроля, а также практические навыки сканирования и оценки результатов контроля.