Дефектоскоп. Виды и работа. Применение и как выбрать. Особенности

Некачественные соединения могут стать причиной аварий. Трубопроводы, детали, испытывающие динамическую нагрузку, швы, работающие на излом, не должны содержать шлака, раковин, непроваров. Методы дефектоскопии сварных швов относятся к неразрушающей диагностике. Они используются для выявления внутренних, невидимых дефектов в металле – несплошностей, снижающих прочность соединения.

Разработано 10 методов диагностики, все они имеют достоинства и недостатки, ограничения. Дефектоскопией сварных швов проверяют качество работы сварщиков, выявляют нарушения технологии. Используют методы диагностики металла для входного, промежуточного и сдаточного контроля.

Принцип дефектоскопии

Диагностика сварных соединений включает разные методы исследований, основанных на физических свойствах металлов, структурных превращениях на границе фазового перехода. На исследуемые участки воздействуют радиоволнами, ультразвуком, магнитным электростатическим полем, красителями. Разнородные структуры по-разному воспринимают воздействие. Принципы выявления дефектов подбирают под металл. К примеру, немагнитящиеся легированные стали, цветные металлы нельзя проверить в магнитном поле. Эхолокация неэффективна для крупнозернистых структур.

Дефектоскопией сварных соединений называют комплекс методов контроля качества визуально или с использованием специальной аппаратуры для выявления дефекта. Принцип дефектоскопов, методика диагностики утверждаются стандартами. По результатам дефектоскопии определяется прочность (эксплуатационная надежность) сварных швов после завершения работы.

Важно!

Каждый сварщик несет ответственность за соблюдение технологии.

Типы проводимых испытаний

Ультразвуковые дефектоскопы могут использоваться в различных областях, где требуется неразрушающий контроль и анализ. Тип проводимых испытаний варьируется в зависимости от применения. Существуют два основных способа контроля — с помощью прямых преобразователей, либо наклонных.

Контроль с помощью прямых преобразователей (П111, П112)

Испытания с прямым лучом обычно используются для обнаружения трещин или расслоений, параллельных поверхности испытуемого элемента, а также пустот и пористости, таких как пластины, стержни, части ковки, отливки и т. д.

Как и все другие методы ультразвуковой дефектоскопии, контроль с помощью прямых преобразователей использует основной принцип, согласно которому волна, проходящая через среду, будет продолжать распространяться до тех пор, пока она не рассеется или не отразится от границы с другим материалом (или от поверхности), таким как воздух или разрыв, создаваемый трещиной или аналогичным разрывом.

В этом типе дефектоскопии оператор обеспечивает плотный акустический контакт преобразователя с образцом и идентифицирует сигнал, возвращающийся с дальней стенки, а также любые фиксированные отражения, происходящие из геометрических структур, таких как канавки или фланцы.

Сигнал, который предшествует донному сигналу, подразумевает наличие трещины или пустоты в объекте контроля. Благодаря дальнейшему анализу можно определить глубину, , протяженность, размер и форму структуры, создающей отражение.

Контроль с помощью наклонных преобразователей (П121, П122)

Хотя методы прямого луча могут быть очень эффективными при поиске дефектов, они часто не эффективны при тестировании сварных швов, где несплошности обычно не ориентированы параллельно поверхности детали. Комбинация геометрии сварного шва, ориентация дефектов и наличие шва требуют осмотра со стороны сварного шва с использованием наклонного преобразователя.

Эти испытания на сегодняшний день являются наиболее часто используемым методом ультразвуковой дефектоскопии. Наклонные УЗ ПЭП (П121-5-70) состоят из призмы и пьезоэлемента, которые встроены в один корпус. Они используют принцип преломления и преобразования звуковых волн на границе для получения преломленных сдвиговых или продольных волн в образце.

Дефекты, которые точно фиксирует ультразвуковой дефектоскоп

Одним из наиболее распространенных методов выявления дефектов является ультразвуковой контроль, при котором звуковые волны, распространяемые через материал, используются для идентификации таких дефектов. Ультразвук ведет себя предсказуемо при взаимодействии с поверхностями и внутренними дефектами.

Наиболее распространенными несплошностями, которые может выявить ультразвуковой дефектоскоп являются:

• Трещины;
• Пустоты и раковины;
• Сколы;
• Пористость в металлах, керамике и пластмассах;
• Расслоения;
• Некачественные сварные швы;
• Коррозия;
• Износ металла
• Несоответствие толщины металла требованиям тех условий.

Основные производители и популярные модели дефектоскопов

На Российском рынке существует большой выбор приборов ультразвукового контроля, которые различаются между собой как по параметрам, функциональным возможностям так и по цене. В таблице представлены характеристики некоторых популярных моделей ультразвуковых дефектоскопов.

Преимущества и недостатки

Достоинства:

• низкая трудоемкость исследований, контролирует соединения один человек в течение нескольких минут;
• безопасность проведения контроля, только радиационная диагностика предполагает влияние вредных факторов;
• разнообразие контролирующих приборов, для основных методов дефектоскопии выпускают мобильные дефектоскопы;
• разнообразие контролируемых объектов: проверяют плоские, объемные детали, трубы;
• контроль швов, произведенных любым видом сварочного аппарата.

Недостатки:

• у каждого из методов существуют определенные ограничения по применению, ввиду выявляемых изъянов;
• необходимость использования специальных реагентов, расходных материалов;
• приходится специально подготавливать исследуемые поверхности;
• контролируемые фрагменты после диагностики необходимо дополнительно обрабатывать антикоррозионными средствами, при снятии окалины, оксидной пленки защитные свойства металла ухудшаются.

Основные методы дефектоскопии

Дефекты соединений бывают двух типов:

• видимые выявляют при визуализации;
• скрытые (внутренние) определяют дефектоскопией сварных швов.

Существуют разрушающие методы контроля, они необходимы при разработке технологии сварного соединения. Зону фазового перехода рассекают, рассматривают структуру металла под микроскопом.

Неразрушающую дефектоскопию сварных швов создали для определения качества сварки. Металл проверяют на проницаемость, однородность, пользуясь современными методами и приборами.

Визуальный осмотр

Проверка сварных швов производится на месте. Это самый часто применяемый способ контроля. Анализируя состояние шовного валика, дефектоскопией выявляют непровары. Они проявляются неравномерностью наплавочного слоя, трещинами, пористостью. Для точности результата до осмотра со шва снимают окалину, протирают поверхность валика растворителем (техническим метанолом). Затем производят травление металла 10% азотной кислотой, она растворяет оксидную пленку. Остатки кислоты снимают спиртом.

Физические основы и методы ультразвуковой дефектоскопии.

Ультразвуковой контроль (УЗК) относится к акустическому виду неразрушающего контроля, основанному на анализе результатов взаимодействия звуковых волн с объектом контроля (ОК) => УЗК относится к методам активного контроля (подразумевает воздействие на ОК и последующий анализ изменения первичного воздействия для характеристики дефектов).

Все многообразие акустических методов неразрушающего контроля основано на взаимодействии упругих сред (жидких, твердых и газообразных) с акустическими колебаниями и волнами. Они отличаются способами возбуждения колебаний и их регистрацией.

Из числа акустических методов чаще всего применяют ультразвуковую дефектоскопию (УЗД), ультразвуковую толщинометрию (УЗТ) и акустико-эмиссионный неразрушающий контроль. На УЗД в мировой практике приходится в настоящее время 60 % всего объема неразрушающего контроля.

Акустические колебания и волны

Акустические колебания представляют собой механические колебания частиц упругой среды. Процессы распространения этих колебаний в среде называют акустическими волнами. Линию, указывающую направление распространения волны, называют лучом, а границу раздела колеблющихся частиц от неколеблющихся — фронтом волны.

Акустические колебания характеризуются частотой, интенсивностью и видом. Виды колебаний в основном определяются свойствами упругой среды и способом их создания. В жидкостях и газах, обладающих упругостью объема, акустические колебания распространяются с одинаковой скоростью во всех направлениях. В твердых телах, характеризуемых помимо упругости объема еще и упругостью формы (сдвиговой упругостью) и неодинаковостью деформаций растяжение-сжатие по различным направлениям (для анизотропных тел), закономерности распространения акустических волн значительно сложнее.

Колебания с частотой до 16…20 Гц называют инфразвуковыми. Колебания с частотой от 16…20 до (15…20)103 Гц составляют диапазон слышимости, воспринимаемый человеческим ухом. При увеличении частоты колебаний звука более 20 кГц он переходит в ультразвук; при этом способность его распространения меняется: в воздухе способность распространения уменьшается, в твердых и жидких средах — увеличивается. При неразрушающем контроле металлических материалов используются частоты ультразвукового диапазона 0,5…25 МГц (500…25000 кГц).

Распространение акустической ультразвуковой волны в материале происходит с определенной постоянной скоростью С, определяемой свойствами среды. Распространение волны сопровождается образованием в материале зон, в которых частицы находятся в одинаковом колебательном состоянии (фазе). Минимальное расстояние между такими зонами называют длиной волны . Величина связана со скоростью распространения С и частотой колебаний f выражением

.

Изменить длину ультразвуковой волны в конкретном материале можно только путем изменения частоты f возбуждаемых колебаний.

Направление колебаний частицы в твердых телах может быть различным по отношению к направлению распространения волны. По характеру смещения частиц и распространению колебаний волны бывают нескольких типов.

Характер деформации твердых тел при распространении в них упругих волн некоторых типов (величины деформации тела очень малы и измеряются долями процента от длины волны):

а — продольные (растяжение-сжатие);

б — поперечные (сдвиговые).

Продольными называют волны, когда частицы упругой среды колеблются в направлении распространения волны, подвергаясь при этом поочередно деформациям растяжения-сжатия.

Скорость продольной волны определяют по формуле

, где Е — модуль упругости; — коэффициент Пуассона; — плотность среды.

Если частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения, испытывая деформации сдвига, такие волны называют поперечными или сдвиговыми. Поперечные волны могут возникать только в твердых средах, обладающих сдвиговой упругостью. Скорость поперечной волны

.

При проведении УЗД и УЗТ металла и сварных соединений используют в основном поперечные и продольные волны.

Затухание ультразвука

Распространение ультразвуковой волны, вызванной колебательными движениями возбужденных частиц благодаря упругим силам между ними, сопровождается переносом энергии. Количество энергии, переносимое волной за 1 с через 1 см2 площади, перпендикулярной направлению распространения, называют интенсивностью ультразвука. Интенсивность ультразвуковых колебаний частиц обычно невелика (энергия волны не более 100 Вт/см2 и не выходит за пределы упругих деформаций, где напряжения и деформации связаны линейной зависимостью.

Интенсивность ультразвука по мере прохождения в среде уменьшается за счет ее волнового сопротивления z. Величина этого сопротивления, часто называемого характеристическим импедансом, зависит от плотности среды , скорости распространения волн С и определяется выражением

.

Интенсивность ультразвука J пропорциональна квадрату амплитуды упругого смещения и квадрату частоты колебаний

,

где A — амплитуда упругого смещения частиц среды; f — частота колебаний.

Из последнего выражения следует, что чем большим акустическим сопротивлением обладает среда, тем большая энергия требуется для возбуждения в ней волн заданной частоты и амплитуды. По мере прохождения волны от источника излучения амплитуда упругого смещения частиц уменьшается и интенсивность ультразвука падает. Затухание интенсивности происходит по двум основным причинам: поглощения и рассеяния. Коэффициент затухания соответственно состоит из двух слагаемых

,

где — коэффициент поглощения, определяемый вязкостью среды и частотой колебаний; — коэффициент рассеяния, зависящий от структуры, упорядоченности расположения и размера зерен кристаллов.

Поглощение — это процесс перехода энергии колебаний в тепловую, обусловленный трением колеблющихся частиц. Поглощение будет тем больше, чем больше частота колебаний.

При рассеянии происходят преломление и трансформация ультразвуковых волн. Рассеяние обусловлено кристаллической структурой металлов и сплавов. При прохождении ультразвуковой волны через границы кристаллов волна частично отражается, преломляется и трансформируется. Рассеяние по этим причинам может быть значительным. Максимальное рассеяние имеет место при , где — средний размер зерна.

Снижение интенсивности ультразвука вследствие его затухания в зависимости от пройденного в материале расстояния происходит по экспоненциальному закону

,

где — интенсивность ультразвука на расстоянии х от источника излучения, интенсивность излучения которого ; — коэффициент затухания.

Чем больше коэффициент затухания, тем значительнее ослабление ультразвука, а следовательно, меньше глубина его проникновения. Поскольку амплитуда волны пропорциональна корню квадратному из интенсивности ультразвука (), влияние затухания на амплитуду описывается формулой

.

Для оценки ослабления в большинстве случаев нет необходимости определять интенсивность J или амплитуду A в абсолютных единицах. Чаще бывает достаточно определить их величину относительно некоторого постоянного (опорного) уровня . В этом случае для выражения относительной величины используют специальные единицы — децибелы. Число децибел дБ определяют по формулам

.

В практике УЗД, когда контролируется соотношение амплитуд колебаний, для определения дБ обычно используют вторую формулу.

Различные методы ультразвукового контроля отличаются схемами установки излучателя и приемника ультразвуковых колебаний, их положением относительно объекта контроля. Применяют:

Наиболее широкое распространение получил импульсный эхо-метод, основанный на отражении УЗ колебаний от несплошности и приеме отраженных эхо-сигналов. Амплитуда эхо-сигнала на экране дефектоскопа при этом будет пропорциональна размерам дефекта.

Выбор метода

Учитывают основные параметры исследуемых швов:

• физические характеристики;
• толщину и габариты заготовок;
• состояние поверхности: для ультразвука необходима зачистка с контактной смазкой, для магнитно-резонансного метода – проводят осадку шва (снимают поверхностные напряжения), для капиллярного исследования требуется идеально ровная и очищенная поверхность.

При выборе метода дефектоскопии необходимо учитывать:

• размеры допустимых дефектов, по техническим условиям подбирают чувствительность приборов;
• условия проведения исследований.

Если важно выявить объемные дефекты, пустоты – надежнее провести радиационный контроль. Трещины и непровары определяют ультразвуком, магнитным полем. Дефекты, выходящие на поверхность, выявляют капиллярным методом.

Капиллярные дефектоскопы

Капиллярный дефектоскоп представляет собой совокупность приборов капиллярного неразрушающего контроля. Методы капиллярной дефектоскопии позволяют обнаруживать невооружённым глазом тонкие поверхностные трещины и др. несплошности материала, образующиеся при изготовлении и эксплуатации деталей машин. Полости поверхностных трещин заполняют специальными индикаторными веществами (пенетрантами), проникающими в них под действием сил капиллярности. Для так называемого люминесцентного метода пенетранты составляют на основе люминофоров (керосин, нориол и др.).

История

Первые дефектоскопы, работающие на непрерывном звуке, создали в 1928 г. С. Я. Соколов и в 1931 г. Мюльхойзер. 1937-1938 год — первый в мире дефектоскоп, использующий переменный ток для контроля конструкций железной дороги и колесных пар (компания MAGNAFLUX, США). Эхо-импульсные дефектоскопы (принцип действия и прибор) создали впервые в 1939— 1942 г. Файрстон в США , Спрулс в Великобритании и Крузе в Германии. Первые эхо-импульсные дефектоскопы были выпущены в 1943 г. почти одновременно (Ден-бери, США) и «Кельвин энд Хьюз лтд.» (Лондон) источник: ru.wikipedia.org