Акустический контроль емкости

Введение 

 

Неразрушающие методы контроля имеют  очень важное значение для повышения  качества и надёжности изделий и  материалов в различных отраслях промышленности республики. Широкое распространение этих методов обусловлено тем, что они позволяют избежать больших потерь времени и материальных затрат.

Наибольшее развитие получила ультразвуковая дефектоскопия. По сравнению с другими  методами неразрушающего контроля она  обладает важными преимуществами: высокой  чувствительностью к наиболее опасным  дефектам типа трещин и непроваров, большой производительностью, возможностью вести контроль непосредственно на рабочих местах без нарушения технологического процесса, низкой стоимостью контроля.

Ультразвуковые методы контроля позволяют  получить информацию о дефектах, расположенных на значительной глубине в различных материалах, изделиях и сварных соединениях. Методы ультразвуковой дефектоскопии стали основными в различных отраслях народного хозяйства: в энергетике, тяжелом и химическом машиностроении, на железнодорожном транспорте, в судостроении. Ежегодно методами ультразвуковой дефектоскопии контролируются сотни тысяч метров сварных соединений металлоконструкций, десятки тысяч трубных соединений, котлоагрегатов, сварных стыков рельсов, оценивается качество деталей сосудов и аппаратов высокого давления, поковок, труб, листового проката и другой продукции. Эта работа выполняется операторами-дефектоскопистами. От их квалификации, теоретической и практической подготовки во многом зависит объективность получаемых результатов контроля.

Возможность автоматизации контроля позволяет разрабатывать и внедрять в производство различные автоматические комплексы и линии для контроля изделий в процессе производства. В состав таких комплексов могут входить не только автоматизированные сканеры и блоки управления ими, дефектоскопы, но и персональные ЭВМ. При разработке автоматических устройств широко применяется интегральная электроника, что существенно позволяет снизить количество применяемых дискретных элементов, габаритные размеры блоков, повысить их надёжность и эксплуатационные характеристики.

 

1 Анализ характеристик  объекта контроля

 

В данном курсовом проекте  необходимо разработать технические  средства и методику ультразвукового (УЗ) контроля сварной емкости изображенной на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1- Объект контроля

 

Материалом контролируемой детали является сталь 12Х18Н10Т, она относится к сталям и сплавам высоколегированным, коррозионностойким, жаропрочным  и жаростойким.

 Назначение – объекты, работающие до 600 °С. Сварные аппараты и сосуды, работающие  в разбавленных растворах азотной, уксусной, фосфорной кислот, растворах щёлочей и другие детали, работающие под давлением при температуре  от   – 196  до  +600  °С, а при наличии агрессивных сред  -      до +350 °С. Сталь коррозионностойкая аустенитного класса, что позволяет её использовать как в химической промышленности (различного рода проводы для реагентов), так и в энергетике (водопроводы горячей воды и пара).

Сварные швы выполнены дуговой сваркой в защитном газе плавящимся электродом по ГОСТ 14771-76 “Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и  
размеры”. [1] Эскиз сварного шва изображен на рисунке 1.2, размеры сварного шва приведен в таблице 1.1. [1]

 

                         

 

    а)                       б)

а - подготовка свариваемых  деталей; б - внешний вид шва

 

Рисунок 1.2 – Эскиз  стыкового сварного шва днища ёмкости

 

Таблица 1.1- Основные размеры  сварного шва по ГОСТ 14771-76

 

Условное обозначение  сварного соединения	S, мм	b, мм	c, мм	a, град	e, мм
Т6	8	0+1,5	1±1,0	45	12±2,0

 

Акустические характеристики материала изделия приведены  в  
таблице 1.2.

 

Таблица 1.2 – Акустические и физические свойства

 

Материал	Плотность г/см3	Скорость  звука, м/с		Волновое сопротивление zпр, Па×с/м10
		продольных	поперечных
12Х18Н10Т	8,03×103	5660	3100	45,5

 

В общем  случае  в  результате  сварки в шве могут  образовываться следующие виды дефектов [2]:

• непровары - несплошности на границах между основным и наплавленным металлами или незаполненные металлом полости в сечении шва рисунок 1.2, а. Причинами образования непроваров являются плохая подготовка кромок свариваемых листов, малое расстояние между кромками листов, неправильный или неустойчивый режим сварки;
• трещины  -  частичное  местное  разрушение  сварного   соединения

рисунок 1.2, б. Они могут возникать в результате надрыва нагретого металла в пластическом состоянии или в результате хрупкого разрушения после остывания металла до более низких температур;

- поры образуются вследствие  загрязненности кромок свариваемого металла, использование влажного флюса или отсыревших электродов, недостаточной защиты шва при сварке в среде углекислого газа, увеличенной скорости сварки и завышенной длинны дуги рисунок 1.2, в.

 

 

 

a)

 

 

 

 

 

 б)

 

 

 

 

 

 

 

 

в) 

Рисунок 1.2 - Внутренние дефекты сварных швов

 

Статистика показывает, что в крупноразмерных швах могут  образовываться от 65 до 70% шлаковых включений, 10% пор и от 20 до 25 % плоскостных  дефектов (из них трещин 5-7 %). Наиболее опасные дефекты: трещины - ориентированные преимущественно в центре шва.[3].

Дефекты, которые необходимо выявить имеют размеры: для пор, трещин и непроваров b_min=0,5∙10^-3 м, b_max=3∙10^-3 м.

 

2 Сравнительный анализ известных  методик УЗ – контроля сварных швов

 

Ультразвуковой контроль сварных швов производится в соответствии с ГОСТ 14771-76 и другими документами, регламентирующими методику контроля и критерии оценки качества швов по его результатам.

Для контроля сварных соединений применяют  следующие основные методы ультразвуковой дефектоскопии.

Прежде всего –  импульсный эхо-метод, основанный на отражении  ультразвуковых колебаний от несплошности (отражателя), причем амплитуда эхо-сигнала  пропорциональна площади этого  отражателя. Чувствительность эхо-метода высокая: она достигает 0,5 мм² на глубине 100 мм.

При эхо-импульсном методе применяют совмещенную (рисунок 2.1), раздельную (рисунок 2.2 и  рисунок 2.3) и раздельно-совмещенную (рисунок 2.4 и рисунок 2.5) схемы включения преобразователей [6].

 

 

Рисунок 2.1- Совмещенная  схема включения преобразователей

 

Рисунок 2.2- Раздельная схема включения преобразователей

 

Рисунок 2.3- Раздельная схема включения преобразователей

 

Рисунок 2.4- Раздельо-совмещенная  схема включения преобразователей

Рисунок 2.5- Раздельо-совмещенная  схема включения преобразователей

 

 К преимуществам  данного метода следует также  отнести возможность одностороннего  доступа к зоне шва, поскольку  иногда достаточно только одного  преобразователя  и для излучения  и для приема ультразвуковых сигналов. Метод обладает высокой производительностью и достоверностью контроля, простотой ввода ультразвуковых волн в изделие и расшифровки результатов, полученных при контроле. Недостатки эхо-метода – это сравнительно низкая помехоустойчивость и резкое изменение амплитуды отраженного сигнала от ориентации дефекта (угла между ультразвуковым лучом и плоскостью отражателя).

Теневой и зеркально-теневой  методы также широко распространенные, основаны на уменьшении амплитуды ультразвуковых колебаний вследствие наличия несплошности на их пути чем крупнее дефект, тем слабее прошедший к приемнику сигнал.

В теневом методе ультразвуковой луч идет прямо от источника излучения к приемнику через контролируемый металл. В отличие от эхо-метода теневой метод имеет высокую помехоустойчивость и слабую зависимость амплитуды от угла ориентации дефекта. Однако имеются серьезные недостатки: необходимость двустороннего доступа  и малая точность оценки координат дефектов, затруднена автоматизация и, соответственно, ниже производительность, вследствие применения иммерсионного способа контакта (он применяется для уменьшения влияния помех, вызванных случайным ухудшением акустического контакта, несоосностью преобразователей, непараллельностью поверхностей объекта контроля и др.). 

Рисунок 2.6-Использование теневого метода

 

При теневом методе применяют  раздельную (рисунок 2.6) схему включения преобразователей.

Рисунок 2.7-Схема включения  преобразователей при теневом методе

 

Зеркально-теневой метод  отличается от теневого тем, что регистрирует уменьшение ультразвуковых колебаний, отраженных от нижней поверхности объекта контроля. Как видно из схемы, этот метод не требует двустороннего доступа к соединению. Метод позволяет более достоверно определять наличие корневых дефектов в  стыковых швах.

При зеркально-теневом методе применяют  раздельно-совмещенную (рисунок 2.8) схему включения преобразователей.

Рисунок 2.8 – Схема  включения преобразователей при  зеркально-теневом методе

 

Резонансный метод основан  на возбуждении в изделиях постоянной толщины незатухающих УЗ колебаний и определении частот, на которых имеют место резонансы этих колебаний. Метод используют для обнаружения дефектов в виде коррозии или несплошностей металла и измерения толщины листов, стенок труб, резервуаров и т.д. Частота, при которой возникают стоячие волны, т.е. наступает резонанс, зависит от толщины детали и скорости распространения в ней акустических волн. Но для данного объекта такой метод использовать не возможно, т.к. объект имеет сложную форму.

Метод акустического импеданса  заключается в регистрации УЗ колебаний стержня, опирающегося на поверхность изделия. Подповерхностные дефекты изменяют акустический импеданс данного участка изделия, что отражается на амплитуде и частоте собственных колебаний стержня. Кроме того, дефект обычно вызывает и фазовый сдвиг. Импедансный метод позволяет обнаруживать зоны нарушения жесткой связи между элементами слоистых конструкций: непроклеи, непропаи, расслоения, неполную поляризацию и т.п. Импедансный метод чаще всего используют для контроля многослойных конструкций.

Велосиметрический метод связан с  регистрацией изменения скорости УЗ колебаний. Такое изменение имеет  место в слоистых конструкциях при  изменении толщины слоя или наличия  расслоений. Поэтому этот метод, аналогично импедансному, для заданного изделия применяться не может [4].

Метод свободных колебаний  основан на анализе частотного спектра  или прослушивании тона акустических колебаний изделий, вибрирующих  на собственной частоте. Этот метод позволяет выявлять нарушения жесткой связи между слоями в слоистых конструкциях, а также внутренние дефекты в массивных изделиях. Но этот метод позволяет определить лишь наличие или отсутствие дефекта, а по исходным данным проекта недопустимыми являются дефекты от b_min=1мм до b_max=6 мм, т.е. мы не может определить размер дефекта.

Метод акустической эмиссии  занимает особое место. Можно сказать, что это метод диагностики, а  не дефектоскопии. Он основан на регистрации  акустических волн, излучаемых дефектом при нагружении материала или конструкции, в результате внутренней динамической локальной перестройки его структуры. Наиболее характерные источники акустической эмиссии это возникновение и развитие трещин, пластическая деформация, движение дислокаций кристаллов и т.п. В заданном объекте нет таких источников акустической эмиссии, поэтому этот метод не имеет применения в данном случае.

Таким образом, применимость акустических методов для выявления  дефектов в заданном объекте контроля можно показать таблицей 2.1 [5].

Таблица 2.1 – Применимость акустических методов для заданного изделия

Метод	Вид дефекта
	Внутренние                                            несплошности	Пористость
Теневой	++	+/++
Эхо-импульсный	+++	++/+++
Резонансный	-	-
Эмиссионный	-	-
Велосиметрический	-	-
Импедансный	-	-
Метод свободных колебаний	-	-
Принятые обозначения:    «-» - метод неприменим для выявления  дефектов;                                 «+» - метод применим, дефект выявляется  плохо;                                                        «++» - метод применим, дефект выявляется удовлетворительно;                                    «+++» - метод применим, дефект выявляется  хорошо.

 

Основной способ контроля сварных соединений – эхометод с  использованием совмещенного наклонного преобразователя поперечных волн.

 

 

  В              С    Д

 

 

 

 

 

а)

 

б)

Рисунок 2.9 – Схема контроля сварного шва.

 

 Корень шва контролируют  прямым (непосредственно выходящим  из преобразователя) лучом (положение  преобразователя А и В, рис  2.3 а), а верхнюю часть шва – однократно отраженным лучом (положение С и Д, рис 2.9 а). Контроль двукратно или многократно отраженным лучом нежелателен ввиду сильного расхождения пучка лучей и его искажения при отражениях. Для проверки всего сечения сварного шва преобразователь перемещают, как показано на рис. 2.9, б пунктиром вверху, между крайними положениями А и Д. В положении А преобразователь обычно упирается в верхний валик шва, а в положении Д луч еще попадает в зону сплавления. Это поперечно-продольное сканирование.

Шов контролируют слева и справа. Таким образом, ультразвуковые лучи проходят через шов в четырех направлениях. Это повышает вероятность выявления различно ориентированных дефектов. С этой целью преобразователь непрерывно разворачивают влево и вправо на угол j = 10…15 .

Рассмотрим ряд схем, предусматривающих контроль угловых  соединений. 

При контроле угловых швов с К-образной разделкой или без  нее, но с полным проплавлением стенки возможно применение  схем, представленных на рисунке 2.10.[3]

 

Рисунок 2.10-Контроль двусторонних швов: а-тавровых, б-угловых.

 

Контроль угловых швов таврового соединения с К-образной разделкой, в которых требуется полный провар корня шва, начинают с поиска непровара в корне шва прямым или однократно отраженным лучом. При отсутствии непровара контролируется часть шва: нижняя - прямым лучом, верхняя - однократно отраженным лучом.

Наиболее  эффективной является схема ввода  УЗ-колебаний через основной металл привариваемого листа (схема I), т.к. она позволяет выявить вес виды внутренних дефектов в угловых швах и крестовых соединениях при минимальном уровне ложных сигналов. При контроле тавровых соединений по схеме I появление ложных сигналов может быть обусловлено только отражением от грубых неровностей на наружной поверхности плоскости полки, встречающихся весьма редко и связанных с повреждением металла. При прозвучивании угловых соединений по схеме I ложные эхо-сигналы могут появляться при отражении УЗ-пучка от верхнего усиления валика шва или от угла элемента конструкции (рисунок 2.10.). Эти эхо-сигналы можно легко селектировать по времени, а также «прощупывать». В тех случаях, когда затруднен доступ со стороны стенки, т.е. невозможен контроль по схеме I, прозвучивание выполняют по схемам II и III. Контроль по схеме II обеспечивает выявление пор, шлаковых включений, несплавлений и трещин, благоприятно ориентированных к УЗ-лучу. Однако контроль схеме осложняется необходимостью ориентировки ПЭП относительно соединения и появления ложных сигналов от поверхности противоположного валика шва. Схемы контроля тавровых и угловых соединений представлены на рисунке 2.11.

 

Рисунок 2.11-Схемы контроля тавровых и угловых соединений: а- без дефектов, б- с непроваром в  корне шва, в- с трещиной, г-с порой  или шлаковым включением.

 

Разделение  полезных и ложных сигналов производится по времени  прохождения УЗ-луча. Выявить непровар в центре двустороннего или в корне одностороннего шва при контроле по схеме II практически невозможно, т.к. ультразвуковой пучок испытывает зеркальное отражение. Этот опасный дефект при доступе контроля только с наружной поверхности полки обнаруживается по схеме III (рисунок 2.11б) с помощью РС-ПЭП и двух жестко соединенных призматических ПЭП, включенных по раздельной схеме. При толщине полки более 40 мм можно применять прямой ПЭП. В угловых соединениях при доступе только со стороны вертикального листа непровар можно обнаружить при использовании прямого или РС-ПЭП.

Одним из основных условий, обеспечивающих наиболее вероятное  выявление дефектов по сечению шва, является необходимость прозвучивания всего сечения шва с равномерной чувствительностью.

Выполнение отмеченных условий обеспечивается правильным выбором угла ввода УЗ-луча.

Целесообразно применять ПЭП с. такими углами α  и стрелой n₀, при которых обеспечивается контроль нижней части шва прямым, а верхней однократно отраженным лучом. Это считается возможным, если центральный луч ПЭП при расположении его вплотную к шву проходит через середину шва или выше ее (при толщинах шва менее 10 мм допускается прохождение центрального луча ниже середины сечения шва не более чем на 1 мм).

При контроле нижней части  шва таврового и углового соединения это условие может быть проверено  по соотношениям:

 

α₁ ≥ arctg(2k₁ +2n₀)/Н               (2.1)

α₁≥arctg(e+2n)/H                       (2.2)

 

где n-расстояние от катета шва до преобразователя,

n₀-стрела ПЭП, k₁-размер катета шва снаружи, Н-толщина свариваемых элементов,n-расстояние от катета шва до стрелы преобразователя.

Верхнюю часть  шва этих соединений целесообразно  проверять искателями, обеспечивающими:

 

α₂≥arctg(2k₁+2z)/H   (2.3)

α₂≥arctg(e+2z)/H  (2.4)

 

Наилучшее выявление  подповерхностных дефектов (минимальная  величина «мертвой зоны») при контроле верхней части тавровых соединений шва достигается в случае

 

α₂=90⁰-[arctg(k₂/k₁)+7⁰] (2.5)

 

При этом область  оптимальных значений 2 лежит в  интервале 0,2H<H< 0,5H.

Если контроль прямым и однократно отраженным лучом невозможен, то необходимо увеличить угол ввода или, в крайнем случае, производить контроль однократно и двукратно отраженными лучами.

После нахождения оптимальных углов ввода устанавливаются  зона перемещения искателей x_min и х_max и соответствующий ей рабочий участок на экране дефектоскопа.

При контроле верхней и нижней частей шва таврового  соединения прямым и однократно отраженным лучами ПЭП перемещают в пределах от х_min до x_max , равных: x_min = k₁ +n_0, x_max = 2Htgα₂ + k_1. Для углового соединения эти значения соответственно равны: x_min=n_o, x _max – 2Htgα₂.

Контроль  односторонних швов тавровых и угловых  соединений с К-образной разделкой или без нее при отсутствии обратной подварки корня шва ведется по схеме I (рисунок 2.12) прямым и однократно отраженным лучами.

 

 

Рисунок 2.12- Контроль односторонних швов: а-тавровых, б-угловых.

 

Если швы  доступны для контроля, целесообразен контроль со стороны, противоположной разделке, т.к. при этом улучшаются условия прозвучивания  верхней части шва.

Выбор пределов перемещения x_min и x_mаx и установление соответствующего рабочего участка на экране дефектоскопа тавровых и угловых соединений с V-образной разделкой аналогичны рассмотренному при контроле этих соединений с К-образной разделкой.

Тавровые  и угловые соединения, выполненные  с V-образной разделкой или без  разделки с конструктивными непроварами и недоступные для контроля со стороны основного элемента или полки, рекомендуется контролировать со стороны привариваемого элемента: односторонние соединения - однократно отраженным лучом, а двусторонние – прямым лучом.

При  контроле односторонних соединений максимум эхо-сигнала от конструктивного непровара располагается на заднем фронте строб-импульса, а при контроле двусторонних соединений - па переднем. Внутренние трещины, как правило, начинаются от зазора между основным и припариваемым элементами. Максимумы эхо-сигналов от них могут быть несколько смещены влево или вправо относительно заднего (в односторонних соединениях) или переднего (в двусторонних соединениях) фронтов строб-импульса.

Шлаковые  включения обычно находятся в  корневой части шва, и положение максимумов эхо-сигналов от них на экране дефектоскопа аналогично положению максимумов эхо-сигналов от трещин в корне шва.

Контроль сварных соединений в абсолютном большинстве случаев  осуществляют при сканировании преобразователем вручную (ручной контроль). При ручном контроле вследствие нарушения заданных параметров сканирования могут быть пропущены дефекты с малыми условными размерами. Для повышения вероятности обнаружения малых дефектов применяют приспособления для соблюдения параметров ручного сканирования и устройства механизированного и автоматизированного контроля.

Развитие автоматизации  ультразвукового контроля идет по пути повышения многофункциональности  и внедрения роботизации операций сканирования и измерения. Быстродействующие  средства контроля создаются на основе применения аналоговых и цифровых методов обработки многомерного сигнала, а также многоканальных акустических систем с одновременным или коммутируемым действием. В координатах амплитуда, частота, время строятся двух- и трехмерные изображения акустических полей, что позволяет оценивать структуру отражающей поверхности.

Автоматический контроль целесообразен для протяженных  сварных швов, так как для швов малой протяженности затраты  на подготовку, установку и настройку  аппаратуры неоправданно велики. Тонкие швы (до 5—6 мм) контролируют одним, а более толстые швы (20—40 мм) — несколькими преобразователями, захватывающими всю толщину шва, так что поперечное сканирование не требуется. Более толстые швы автоматически контролируют с продольно-поперечным сканированием.

Механизированное сканирование позволяет облегчить труд оператора, исключить ошибки, связанные с несоблюдением регламента сканирования при поиске дефектов, а в некоторых случаях даже повысить общую производительность контроля (с учетом подготовительно-вспомогательных операций).

В механизированных установках применяют  три способа поиска дефектов:

а) если неизвестно распределение  дефектов в сварном соединении, производят равномерное прозвучивание металла  шва;

б) когда имеют предварительные  сведения о распределении дефектов, более тщательно прозвучивают места их нахождения – неравномерный поиск;

в) используется текущая информация о дефектах при помощи ЭВМ.

 

Повышение производительности и достоверности  ульразвукового контроля возможно с  применением малогабаритных установок, имеющих многоканальный дефектоскоп и многоэлементные акустические системы, а также при использовании методик экспресс-диагностики.

Постоянно возрастающие объемы неразрушающего контроля объектов и оборудования, имеющих критические сроки эксплуатации, требуют увеличения производительности контроля и повышение достоверности  наиболее широко применяемых методов - рентгеновского и ручного ультразвукового.

Быстрое развитие электроники позволяет создать многоканальные дефектоскопы, имеющие небольшие габариты и вес, а наряду с применением многоэлементных акустических блоков, существенно расширить возможности ультразвукового контроля.

Рисунок 2.13 - Дефектоскоп Epoch IV

 

Panametrics - NDT EPOCH 4 цифровой дефектоскоп, который сочетает в себе мощные возможности измерения, внутренний регистратор данных и большой набор программного обеспечения для решения широкого спектра задач. Регистратор данных большей емкости. Функции обработки сигналов включают 25 МГц диапазон для тестирования тонких материалов, настраиваемый генератор прямоугольных импульсов для оптимальной проницаемости толстых или размягченных материалов и узкополосные фильтры для улучшения соотношения сигнал - шум при измерениях, требующих высокой мощности. ЕРОСН 4 обладает прочным корпусом и удобно организованной клавиатурой прямого доступа и предлагает на выбор жидкокристалический (ЖК) или электролюминиесцентный дисплей (ЭЛ) высокого разрешения. Регистратор данных большой емкости позволяет сохранять данные на месте проведения работ с последующей передачей на ПК, посредством гибкой интерфейсной программы.

Простота и удобство работы, прочный корпус, большой дисплей и функциональная клавиатура с цветными клавишами ЕРОСН 4 позволяет легко и быстро производить измерения в тяжелых условиях. Клавиши увеличения мощности, заморозки, сохранения толщины и формы волны, ввод, сгруппированны вместе, что позволяет нажимать на них большим пальцем и работать с прибором  одной рукой при установке всех параметров. Пять функциональных кнопок дают прямой доступ к предустановленным значениям параметров, которые могут быть изменены оператором.

Технические характеристики.

• Настраиваемая узкополосная фильтрация . 
• Генератор прямоугольных импульсов или генератор импульсов ударного возбуждения Легкий, эргономичный дизайн. Вес 2,6 кг.  
• Быстрый, частота обновления минимум 60 Гц . 
• Мощная NiMH аккумулятор большой емкости.  
• Большой, яркий, с высоким разрешением ЭЛ или ЖК дисплей.  
• Автоматическая калибровка преобразователей.  
• Диапазон прозвучивания от 1 до 10,000 мм по стали (продольная волна) . 
• Фиксация на дисплее формы волны и данных . 
• Представление данных в дюймах, миллиметрах, или микросекундах . 
• Возможность удержания и запоминания импульса . 
• Режим «электронная лупа» . 
• Сигнализация, по амплитуде {+/-) или минимальной глубине . 
• Режим измерения «эхо - эхо» . 
• Кодовый ключ для возможности наращивания опционального программного обеспечения.

 

Малогабаритная установка  измерительная ультразвуковая серии "Сканер" модель "СКАРУЧ" (УИУ "СКАРУЧ") предназначена для оперативного обнаружения и определения характеристик дефектов в сварных соединениях и основном металле трубопроводов, сосудов и металлоконструкций с толщиной стенки 4...60 мм и проведения толщинометрии изделий толщиной до 100мм. Внешний вид установки представлен на рисунке 2.14.