Интраоперационное ультразвуковое исследование, история и практические аспекты

Автор

Посысоева Маргарита Алексеевна

Ведущий врач

Врач ультразвуковой диагностики

до 31 августа

Комплексные ультразвуковые обследования с выгодой до 50% Подробнее Все акции

Ультразвуковое исследование

– современный эффективный и информативный вид диагностики. Именно поэтому врачи разных специальностей при обследование предлагают нам сделать УЗИ. Данные ультразвукового исследования во многих случаях позволяют более точно поставить диагноз. При этом УЗИ не представляет опасности для нашего здоровья.

Принцип работы приборов

УЗК дефектоскопия позволяет установить параметры имеющихся дефектов. В частности, расстояние до них можно узнать, оценив время распространения волн. Относительный же размер устанавливается по амплитуде отраженного импульса. Оборудование для ультразвукового контроля бывает нескольких видов.

В приборы ультразвукового контроля обычно входят несколько функциональных элементов:

• Генератор высокочастотных импульсов.
• Приемник волн.
• Датчик.
• Устройство, на которое выводятся результаты измерений.

Двигаясь в однородной среде, ультразвуковые колебания не меняют своего направления. Если же на пути встречается, к примеру, трещина, часть волн отразится от нее, что будет зарегистрировано приемником. Полученные данные выводятся на монитор УЗК дефектоскопа. По времени регистрации отраженных волн можно узнать, в каком месте находится дефект, и основные характеристики последнего.

С помощью прибора можно осуществить ультразвуковой контроль качества сварных соединений, установить координаты и размеры брака. Он дает возможность найти изъяны в металлических, пластмассовых изделиях. Ультразвуковой неразрушающий контроль позволяет обнаружить поры, непровары, иные дефекты структуры.

Ультразвуковая дефектоскопия

21.06.2017 Ультразвуковая дефектоскопия – один из методов неразрушающего контроля. Свойство ультразвука распространяться в однородной среде направленно и без существенных затуханий, а на границе раздела двух сред (например, металл – воздух) почти полностью отражаться, позволило применить ультразвуковые колебания для выявления дефектов (раковины, трещины, расслоения и т.п.) в металлических деталях без их разрушения.

Ультразвуковая дефектоскопия — метод, позволяющий осуществлять поиск дефектов в материале ОК (объекта контроля) путём излучения и принятия ультразвуковых колебаний, отраженных от внутренних несплошностей (дефектов), и дальнейшего анализа времени их прихода, амплитуды, формы и других характеристик с помощью специального оборудования — ультразвуковых дефектоскопов. Сейчас УЗ дефектоскопия, наряду с радиографическим контролем, является одним из самых распространенных методов неразрушающего контроля.

Первые попытки осуществить неразрушающий контроль ультразвуковой волной предпринимались с 1930 года. А уже спустя 20 лет ультразвуковой контроль качества сварных соединений приобрел наибольшую популярность по сравнению с другими методами контроля качества сварки. Кроме того, для некоторых изделий он стал обязательным.

Наиболее распространенным способом возбуждения ультразвуковых волн в контролируемом объекте и приема волн, прошедших через объект, является использование пьезоэлектрических преобразователей. Для возбуждения волн используется обратный пьезоэлектрический эффект, а для их приема – прямой пьезоэлектрический эффект. Для возбуждения и приема волн могут использоваться два раздельных преобразователя, либо может использоваться совмещенный преобразователь, выполняющий функции излучателя и приемника. Между объектом и преобразователем обычно необходимо создание прослойки контактной жидкости, так как при наличии между ними слоя воздуха эффективность излучения и приема волн будет резко снижаться из-за существенного различия акустического сопротивления воздуха и контролируемого материала (материала преобразователя).

Ультразвуковая дефектоскопия сварных швов

Сварные швы являются самой массовой областью применения ультразвуковой дефектоскопии. Это достигается за счёт мобильности ультразвуковой установки, высокой производительности контроля, высокой точности, высокой чувствительности к любым внутренним (объёмным — поры, металлические и неметаллические включения; плоскостным — непровары, трещины), а также внешним, то есть поверхностным дефектам сварных швов (подрезы, обнижения валика усиления и т. п.).
Ультразвуковой контроль сварных соединений и материалов основывается на возможности ультразвука распространяться в контролируемом изделии, отражаясь от границ материалов и внутренних дефектов. Звуковые волны в однородном материале при ультразвуковом контроле не изменяют траектории движения. Дефекты в металле, возникающие при сварке и литье, как правило, представляют собой газовые включения. Так как газ имеет акустическое сопротивление на 5 порядков меньше, чем металл, то ультразвуковая волна практически полностью отражается от дефекта (при условии, что размер дефекта больше половины длины волны). При размерах дефекта меньше половины длины волны ультразвуковая волна огибает дефект, то есть наблюдается дифракция. Разрешающая способность ультразвуковой дефектоскопии, то есть минимальный размер дефекта, который может быть выявлен с помощью этого метода, определяется длиной волны. Для повышения разрешающей способности стараются увеличить частоту используемых при контроле колебаний. Недостатком является то, что с увеличением частоты снижается проникающая способность ультразвука. В связи с этим выбор частоты колебаний требует нахождения определенного компромисса между разрешающей способностью и проникающей способностью.

При ультразвуковой дефектоскопии сварных соединений используется, в основном, эхо-импульсный метод контроля. Реже применяется теневой метод и другие.

Методы ультразвуковой дефектоскопии

Существует несколько методов ультразвукового контроля: эхо-импульсный, эхо-зеркальный, эхо-сквозной, дельта-метод (разновидность эхо-зеркального), когерентный метод (разновидность эхо-импульсного), теневой, зеркально теневой. Рассмотрим кратко наиболее распространенные из них. 1. Эхо-импульсный метод
. Он заключается в направлении акустической волны на сварное соединение и регистрации отражённой волны от дефекта. При таком методе источником и приёмником волн выступает один преобразователь (схема а) на рисунке. 2.
Теневой метод
. Такой метод ультразвуковой дефектоскопии заключается в использовании двух преобразователей, установленных на разные стороны сварного соединения. При таком методе один из преобразователей генерирует акустические волны (излучатель), а второй их регистрирует (приёмник). При этом приёмник должен быть расположен строго по направлению движения волны, переданной излучателем. При таком методе признаком дефекта является пропадание ультразвуковых колебаний. В потоке ультразвука получается глухая область , это означает, что волна на этом участке не преодолела сварной дефект (схема б) на рисунке. 3.
Эхо-зеркальный метод
. Он также заключается в использовании двух преобразователей, но располагаются они с одной стороны сварного соединения. Сгенерированные приёмником ультразвуковые колебания отражаются от дефекта и регистрируются приёмником. На практике такой метод получил широкое распространение для поиска дефектов, расположенных перпендикулярно поверхности сварного соединения, например, сварных трещин (схема в) на рисунке. 4.
Зеркально-теневой метод
. По своей сути представляет собой теневой метод, но преобразователи располагаются не на противоположных поверхностях сварного соединения, а на одной. При этом регистрируются не прямой поток ультразвуковых волн, а поток, отражённый от второй поверхности сварного соединения. Признаком дефекта является пропадание отражённых колебаний (схема г) на рисунке.

Принцип ультразвукового контроля

Ультразвуковой контроль сварных соединений относится к неразрушающим методам контроля варки и является одним из наиболее применяемых методов. Акустические ультразвуковые волны способны распространяться внутри твёрдого тела на значительную глубину. Волны отражаются от границ или от нарушений сплошности, т.к. они обладают другими акустическими свойствами. Направляя ультразвуковые волны на сварное соединение с помощью специальных приборов — ультразвуковых дефектоскопов и улавливая отражённые сигналы, на экране дефектоскопа отображаются импульсы излученной и отражённой волн. По расположению этих импульсов и по их интенсивности, можно судить о расположении дефектов, их величине и определить характер сварного дефекта. При контроле сварных швов необходимо тщательно выполнить прозвучивание всего металла сварного шва. Существуют способы прозвучивания прямой и отражённой волной. Прямой волной прозвучивают нижнюю часть шва, а отражённой волной — верхнюю.

Параметры оценки дефектов при ультразвуковом контроле

Чувствительность ультразвукового контроля определяется наименьшим размером дефекта (или эталонного отражателя), который возможно выявить. Роль эталонных отражателей часто играют плоскодонные отверстия, расположенные перпендикулярно направлению прозвучивания, а также боковые отверстия или зарубки. Разрешающая способность эхо-метода определяется минимальным расстоянием между двумя дефектами, при котором их можно определить, как раздельные дефекты, а не как один. При ультразвуковом контроле выявленный дефект оценивают, исходя из следующих параметров: амплитуды ультразвуковой волны, условной протяжённости, высоты и ширины дефекта, и его формы. Условную длину сварного дефекта определяют длиной перемещения излучателя вдоль соединения, на протяжении которой фиксируется эхо-сигнал, исходящий от дефекта. Таким же образом, при перемещении излучателя по нормали к сварному соединению, можно определить условную ширину дефекта. Условную высоту оценивают, исходя из разности интервалов времени между излучённой и отражённой от дефекта волной при крайних положениях излучателя. Определить истинную величину сварного дефекта при ультразвуковом контроле очень часто оказывается затруднительно. Поэтому, чаще всего стремятся вычислить его эквивалентные величины (площадь или диаметр). Эквивалентной площадью сварного дефекта принято считать, к примеру, площадь плоскодонного отверстия в образце, амплитуда отражённой волны от которого равна амплитуде отражённой волны в проверяемом шве. Почти во всех случаях вычисленная эквивалентная площадь дефекта меньше его настоящей площади.

Преимущества метода

Ультразвуковой контроль бетона и других материалов удобен тем, что исследуемая поверхность практически не нуждается в подготовке. Чтобы получить точные данные, нужно лишь очистить образец от краски, после чего смазать его машинным маслом. Это нужно для лучшего распространения ультразвуковых импульсов. Среди преимуществ способа:

• Он совершенно безопасен для окружающих людей.
• Исследование дефектоскопом производится очень быстро и с большой точностью. Электронные приборы позволяют получить результаты мгновенно.
• Невысокая стоимость.
• Аппаратура компактна и мобильна.
• Ультразвуковой контроль трубопроводов, других изделий можно осуществлять на действующем объекте.
• Исследования дефектоскопом не приносят объекту никаких повреждений.
• Метод позволяет обнаружить изъяны и на поверхности изделия, и внутри его.

УЗК контроль металла, других материалов позволяет не только выявлять дефекты. С его помощью можно получить данные о характеристиках материала и параметрах изделия.

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.

Недостатки УЗК контроля

Все методы неразрушающего контроля имеют свои недостатки и ограничения. УЗК дефектоскопия — не исключение. Среди ее недостатков:

• Нельзя установить реальную величину дефекта.
• Если осуществляется ультразвуковой контроль металла, имеющего крупнозернистую структуру, могут возникнуть сложности. Причина в значительном рассеянии и сильном затухании волн.
• Необходимость в специальной подготовке поверхности перед вводом ультразвуковых импульсов в металл.
• Человек, осуществляющий измерения прибором, должен обладать высокой квалификацией.
• Если поверхность испытуемого образца шероховатая, на ней есть неровности либо изделие имеет слишком маленький размер, толщину или неправильную форму, то измерения дефектоскопом производить достаточно сложно.
• Для проведения исследования необходимо обеспечить непосредственный контакт изделия и прибора.

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.

Ультразвуковые толщиномеры

Установка ультразвукового контроля дает возможность не только определить дефекты образца, но и измерить толщину материала либо его лакокрасочного покрытия, не нарушая целостности последнего.

Измерение толщины производится с помощью зонда, который прикладывается к нужной точке. После этого прибор включается. Высокочастотные колебания, пройдя покрытие, и натолкнувшись на поверхность, отражаются от него. Чаще всего поверхность металлическая. Отраженные колебания, попадающие в датчик, анализируются, рассчитывается путь, пройденный импульсами.

Таким образом, определяется толщина покрытия. Но этот метод применяется не только для оценки размера слоя лака или краски, с его помощью устанавливается толщина металлической заготовки. У способа есть много плюсов. Основной — измерения производятся без повреждения поверхности. Ее не нужно царапать, надрезать и т.д.

Другое достоинство — возможность определять толщину изделий, у которых для исследований доступна лишь одна сторона и его невозможно поместить между измерительными болтами. К примеру, очень удобно проводить ультразвуковой контроль труб, вернее, толщины их стенок.

Немаловажное достоинство приборов в их компактности, их можно принести к любой исследуемой поверхности. Замеры производятся максимально оперативно, это может сделать практически любой человек, специальных навыков не требуется, хотя они приветствуются. Физической силы тоже прикладывать не нужно. Такая аппаратура отличается вполне демократичной ценой.

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;
2. Длина исследуемого шовного соединения;
3. Название и тип примененного оборудования;
4. Название и индекс типа соединения;
5. 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.

УЗК сварных швов

Чтобы гарантировать безопасность эксплуатации разных объектов, имеющих сварные швы, последние следует периодически контролировать. Для этого используются разнообразные способы. Одним из самых эффективных считается неразрушающий метод ультразвуковой диагностики. По достоверности результатов он превосходит большинство остальных.

Проверка сварных соединений с помощью УЗК проводится уже много лет, с 1930 года. За это время он стал весьма распространенным и применяется почти повсеместно. Ведь если в сварных швах есть даже небольшие изъяны, изделие может утратить свою прочность. Впоследствии это может вызвать полное разрушение соединения.

Ультразвуковой контроль поковок не наносит вреда объекту и считается неразрушающим. Точность результата обусловлена несколькими обстоятельствами, в том числе чувствительностью прибора. С помощью дефектоскопов можно найти в соединениях воздушные пустоты, определить наличие неметаллических элементов и т.д.

Существует несколько методов осуществления УЗК. Между собой они различаются способом регистрации информации и ее оценки. К примеру, теневой способ предполагает измерение амплитуды импульсов. Такая процедура может проводиться с многими металлами. Осуществляется ультразвуковой контроль чугуна, меди, стали и др. Помимо того, ультразвук помогает контролировать твердость металлов.

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.
2. Зеркально-теневой, помогает исследовать соединения с двумя параллельными участками.
3. Временной теневой — применяется для проверки бетонов, работает по принципу запаздывания импульса.
4. Велосимметрический, определяющий отклонения скорости волны.
5. Эхо-сквозной, работающий за счет установки преобразователей по одному с двух сторон исследуемого образца.
6. Различные сочетания этих способов.
7. Метод свободных колебаний, вызываемых при направленном ударе проверяемого образца.
8. 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.