Ультразвуковой контроль металла

Одним из методов неразрушающего контроля является проверка волнами ультразвука. Технология подтвердила свою эффективность еще в 30-е годы XX века, и уже в 50-х она стала наиболее распространенной. Ультразвуковой контроль металла и соединительных элементов наглядно показывает изъяны и недочеты соединений и поверхностей. 

Принцип действия

В теле однородной структуры акустическая волна сохраняет свои показатели. Если она отражается, это означает присутствие среды, имеющей отличающееся удельное звуковое сопротивление. В методике ультразвукового контроля (УЗК) на исследуемый образец направляются акустические колебания, а отражаясь, они фиксируются дефектоскопом с пьезоэлектрическим преобразователем. Анализируя полученную информацию, по амплитуде отражения выявляют дефекты и отмечают их основные характеристики — конфигурацию, углубленность, конкретные размерные параметры. 

Алгоритм УЗК

Метод применяется в промышленности уже почти столетие, и используется для исследования качества сварных швов, паяных, сварных и клееных соединений в разнородных металлических и других образцах. Такая долгосрочная популярность ультразвукового контроля деталей объясняется точным определением разноплановых микродефектов и отклонений. 

Основная область использования акустической дефектоскопии — проверка качества сварки. Для понимания алгоритма УЗК рассмотрим теневую методику, подробно описанную в документации ГОСТ Р 55724-2013.

  1. Испытываемый шов и соседние области (до 70 мм в каждую сторону) качественно очищаются от мелких загрязнений. 
  2. Для увеличения четкости показателей данных участок смазывается глицериновым средством, солидолом или специальными техническими смазочными составами.
  3. Прибор УЗК настраивается и калибруется с учетом норм конкретной области.
  4. Устанавливаются излучающее и принимающее устройства для ручного ультразвукового контроля. 
  5. В искателе сканируется шов, перемещение прибора по длине происходит зигзагообразно. Отражение на мониторе сигнала с максимальной амплитудой показывает нарушение целостности. 
  6. Проверяется достоверность присутствия повреждения и при ее установлении данные об изъяне заносятся в регистрационную таблицу, где указываются:
  • Неровные, растрескавшиеся или недостаточно хорошо сваренные места;
  • Наличие расслоений или присутствие пор в наплавленном металле;
  • Несплавленные участки, свищи;
  • Коррозионные изменения, окисление или провисание;
  • Недочеты структуры и характеристик геометрии. 
  1. По требованиям ГОСТ после определенного количества подходов исследования, информация о сканировании записывается в протокол и в отдельный журнал с указанием следующих показателей:
    • ТУ выполнения исследования;
    • Длина исследуемого шовного соединения;
    • Название и тип примененного оборудования;
    • Название и индекс типа соединения;
    • Число колебаний за единицу времени (указывается в Hz, герцах). 

При выполнении ультразвукового контроля, определение нарушений очень точное, и методика востребована не только в промышленности, но и для частного исследования при строительстве или ремонте объектов жилого или коммерческого назначения. 

Как оцениваются полученные данные

Качество сканирования, расшифровки информации, точное определение количества изъянов напрямую зависит от степени чувствительности устройства. Нарушения оцениваются по следующим показателям:

  • Величина колебания и условная длина волны;
  • Геометрические параметры отклонения.

Сам по себе метод УЗК не показывает максимально четкие характеристики изъянов, так что необходим эталонный образец для подробного сопоставления. На практике действительная площадь отклонения, как правило, оказывается больше, чем параметры, определенные расчетами.

Систематика методов УЗК

Широкое разнообразие технологий ультразвукового контроля деталей привело к их разграничению на активные и пассивные. 

Активные методы

Суть технологии в направлении и собирании упругих звуковых колебаний. Сюда относятся:

  1. Методы прохождения — наиболее объемная подгруппа способов отслеживать, как изменяются волны, насквозь проходящие через исследуемый участок. Это может быть:
    • Теневой способ, задействующий два датчика, по одному для генерации и приемки сигнала.
    • Зеркально-теневой, помогает исследовать соединения с двумя параллельными участками.
    • Временной теневой — применяется для проверки бетонов, работает по принципу запаздывания импульса.
    • Велосимметрический, определяющий отклонения скорости волны.
    • Эхо-сквозной, работающий за счет установки преобразователей по одному с двух сторон исследуемого образца. 
    • Различные сочетания этих способов.
  2. Метод свободных колебаний, вызываемых при направленном ударе проверяемого образца.
  3. Метод собственных частот, фиксирующий колебания тестируемого участка. 

Пассивные методы

Суть технологии этого ручного ультразвукового контроля — в захватывании и сравнении колебаний, которые испускает испытываемый образец:

  1. Шумодиагностический — исследует радиоспектр шумов работающего устройства с подключением микрофонного оборудования и других приборов для спектрального анализа.
  2. Акустико-эмиссионный — подходит для изучения объектов, который сам излучает колебания. 
  3. Вибрационно-диагностический — для анализа характеристик шума, проявляющегося в ходе работы механизма. 

Четкость получаемой информации и результативное проведение исследования зависит от правильного выбора способа и грамотного его применения в конкретном случае. 

Измерительные средства, оборудование и приборы для УЗК

При ультразвуковом контроле определение дефектных областей и участков производится за счет подключения специфических установок, к которым чаще всего относятся дефектоскопы, толщиномеры и преобразователи. У каждого своя отрасль применения и технические особенности. 

Дефектоскопы для УЗК

Высокоточные приборы такого плана востребованы для проверки надежности сварных швов и металлических конструкций и обладают широким функционалом, который включает документирование данных. 

Принцип действия базируется на зависимости механического сопротивления (импеданса) исследуемого образца от качественных характеристик скрепления отдельных его деталей. 

Импедансный ультразвуковой контроль деталей показывает изъяны в соединениях клеевого или паяного типа, между обшивочным материалом и жесткими элементами или заполняющими материалами в многослойных образцах. Дефектоскопы такого типа востребованы в авиастроительной сфере, в машиностроении и ракетостроении. Они наглядно показывают расслоения, некачественно склеенные или скрепленные участки, пустоты, повреждения оборудования, устройств и конструкций. Этим контактным способом также замеряется твердость и прочность металлических или сплавных конструкций, например:

  • Сосуды давления — барабаны стационарных котлов, парогенерирующие устройства, реакторные установки.
  • Промышленные полуфабрикатные изделия — листы, прокат, трубы, отливки, поковки.
  • Трубопроводы;
  • Турбинные и генераторные роторные устройства и т.д. 

Преобразователь для ультразвукового контроля металла, обычно выглядящий как стержень, соприкасается с испытываемым образцом, происходит постоянное генерирование волн и оценивается их изменение. По этим данным эксперты оценивают твердость, податливость и другие характеристики изделия. 

Преобразователи с пьезоэлектрическим эффектом

Из множества методик формата «прохождение и отражение» сегодня в дефектоскопической сфере востребованы теневой, зеркально-теневой и эхо-метод. Последний подходит для случаев, когда доступ к испытываемому изделию возможен только с одной стороны, и даже в такой сложной ситуации получается выявить размеры изъяна, его характер и точное местоположение. 

Суть всех этих техник похожа: в образец направляются ультразвуковые волны, а дефектоскоп и пьезоэлектрический преобразователь считывают эти колебания. Анализируя полученную при ультразвуковом контроле металла информацию, специалисты определяют наличие изъянов, глубину их расположения, вид, форму и другие характеристики. Для того чтобы чувствительность приборов была высокой и выявлялись самые мелкие дефекты, их обязательно подготавливают с использованием настроечного образца или отражателя-эталона. Как отражатель-эталон обычно выбирается плоскодонное высверленное отверстие, сориентированное под прямым углом к линии прозвучивания, как вариант — зарубки и боковые высверливания. 

Ультразвуковая дефектоскопия наиболее востребована для проверки сварных швов. Технические особенности и требования в этой области описаны в ГОСТ Р 55724-2013, там же указаны образцы, по которым выполняется калибрование и настраивание, а также все особенности их изготовки. Отдельно для ультразвукового контроля и определения швов сварки и наплавок на энергоустановках атомного действия существует стандарт ПНАЭ Г-7-030-91. 

Компактные толщиномеры

Это простые приборы, которые применяются для определения толщин металлических и неметаллических объектов, износ рельсового полотна и т.д. Применимы для изделий с доступом только с одной стороны. Прибор фиксирует наличие изъянов и их глубину. 

Положительные и отрицательные особенности УЗК

Кроме очевидной сохранности проверяемого объекта, акустические исследования обладают сразу несколькими важными плюсами:

  • Экономичность выполнения работ;
  • Мобильность за счет использования портативного оборудования;
  • Безопасность для сотрудников;
  • Точность результатов;
  • Оперативность проверки;
  • Ручной ультразвуковой контроль возможен без отключения или приостановки работающего механизма или его части. 

Из минусов следует отметить:

  • Сложность проверки мелких элементов, швов сварки стальных разнородных конструкций и крупнозернистых металлических изделий, так как акустические волны могут быстро рассеиваться или затухать. 
  • Вынужденное создание шероховатостей как минимум пятого класса и больше на металлических поверхностях, чтобы можно было ввести в конструкцию звук пьезоэлектрическим преобразователем. 
  • Иногда неполная информация о дефектах и нарушениях.

В целом, УЗК — это достаточно надежный и эффективный способ выявления разноплановых дефектов, в том числе — на швах и стальных стыках. Закажите услугу ультразвукового контроля металла и сварки в нашем центре строительных испытаний «Архибилд», и вы получите подробный отчет о состоянии деталей и элементов конструкции. Звоните, чтобы узнать подробности работ и расценки для конкретного объекта.