Система неразрушающего контроля методом ToFD (варианты)
SYSTEM FOR NON-DESTRUCTIVE TESTING BY THE TOFD METHOD (VARIANTS)

Заявленное изобретение относится к области ультразвукового неразрушающего контроля и может быть использовано в технических устройствах для обнаружения и измерения дефектов (ручные дефектоскопы с ручными и автоматизированными сканерами, внутритрубные дефектоскопы и кроулеры, стенды автоматического контроля и другие подобные устройства), обеспечивающих выполнение контроля с помощью ультразвукового дифракционно-временного метода ToFD, позволяющего регистрировать и измерять дефекты сварных швов и основного материала контролируемых изделий, подготовка поверхности которых невозможна или затруднена (например, из-за загрязнения в трубопроводе или антикоррозионных покрытий изделий).
Известен метод ToFD (time-of-flight diffraction) ультразвукового неразрушающего контроля, сущность и способы осуществления которого приведены в следующих работах и документах:
- Справочник в 7 томах под редакцией чл.-корр. РАН В.В. Клюева. Москва «Машиностроение» 2004, том 3, И.Н. Ермолов, Ю.В. Ланге. «Ультразвуковой контроль». Дифракционно-временной метод (ДВМ) п. 2.2.5.3 стр. 252; п. 3.2.7.5 стр. 371;
- EN 15617:2009 Non-destructive testing of welds - Time-of-flight diffraction technique (ToFD) - Acceptance levels [Неразрушающий контроль сварных соединений. Дифракционно-временной метод (ToFD). Границы допустимости];
- EN 583-6:2008 Non-destructive testing - Ultrasonic examination - Part 6: Time-of-flight diffraction technique as of method for detection and sizing of discontinuilies [Контроль неразрушающий. Ультразвуковой метод. Часть 6. Дифракционно-временной метод обнаружения и измерения несплошностей];
- ISO 10863:11 Non-destructive testing of welds - Ultrasonic testing - Use of time-of-flight diffraction technique (ToFD). [Неразрушающий контроль сварных соединений. Ультразвуковая дефектоскопия. Использование дифракционно-временного метода (ToFD)].
В соответствии с приведенными источниками метод ToFD осуществляется с помощью классической пары ToFD, состоящей из идентичных излучателя и приемника ультразвуковых волн, монокристаллические ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи (далее - пьезоэлементы) которых имеют форму круга (конструктивно выполнены в виде диска). Все известные технические устройства контроля методом ToFD используют эту единственную (штатную) схему реализации метода ToFD (см. патент на полезную модель № RU 177780).
Недостатком штатной схемы реализации метода ToFD, принятой за прототип, является низкий уровень регистрируемых полезных сигналов (сигналы от дефектов, сигнал LW-волны [Lateral Wave] - головной волны, донный сигнал и другие) по отношению к аппаратным шумам при контроле в сложных для прохождения ультразвука условиях, например, при внутритрубном иммерсионном контроле нефтепроводов и нефтепродуктопроводов, где ультразвуковая волна затухает в иммерсионном слое, а также рассеивается на поверхности ввода, имеющей помимо повышенной шероховатости, также загрязнения и отложения. Другим примером затруднений при контроле является случай коррозионного повреждения поверхности ввода или наличие на поверхности ввода антикоррозионного покрытия. Во всех перечисленных случаях при штатной схеме реализации метода ToFD достижение необходимого уровня регистрируемых полезных сигналов (необходимого уровня отношения сигнал/шум) невозможно или нестабильно даже при предельных значениях параметров контроля, включающих предельное напряжение импульса возбуждения или большое усиление приемника (наличие приемника с большим усилением и низким уровнем аппаратных шумов не приведет к регистрации полезных сигналов, поскольку они не выделяются среди совокупности шумов при увеличении усиления).
Указанные недостатки устраняются заявленным изобретением.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение качества неразрушающего контроля за счет увеличения чувствительности метода ToFD, а также обеспечение возможности осуществления контроля методом ToFD в сложных для прохождения ультразвука условиях.
При использовании изобретения происходит увеличение уровня регистрируемых полезных сигналов: сигнала LW-волны, донного сигнала продольной волны, донного сигнала поперечной волны, а также всех сигналов от дефектов, являющихся результатом прозвучивания продольной и поперечной волной. Дополнительно повышается стабильность сигнала LW-волны в широком диапазоне отклонений акустической оси преобразователей от оптимальных значений.
Также достигается увеличение амплитуд полезных сигналов от двух до пяти раз при сохранении уровня аппаратных шумов, при этом:
- в случае увеличения амплитуд полезных сигналов от двух до трех раз возможно сохранение структуры индикаций, получаемой в В-скане ToFD;
- в случае увеличения амплитуд полезных сигналов от трех до четырех раз, имеется несущественное изменение структуры индикаций, получаемой в В-скане ToFD;
- в случае увеличения амплитуд полезных сигналов от четырех до пяти раз, имеется стабильная регистрация LW-волны при отклонениях акустической оси излучателя от номинального положения, незначительное изменение соотношения амплитуд полезных сигналов, а также имеется изменение структуры индикаций, увеличивающее мертвую зону со стороны поверхности ввода и препятствующее выявлению эффекта затенения дефектами донного сигнала, но при этом изменение структуры индикаций позволяет осуществлять измерение геометрических параметров дефектов.
Это позволяет:
- создать автономный внутритрубный дефектоскоп, движущийся с потоком перекачиваемой жидкости и осуществляющий автоматический контроль методом ToFD (контроль продольных, поперечных, спиральных швов и базового материала) через неподготовленную внутреннюю поверхность трубопровода, имеющую загрязнения и отложения;
- расширить возможности существующих ручных дефектоскопов и диагностических комплексов (например, самоходных и привязных кроулеров или автоматических диагностических стендов контроля при изготовлении изделий широкого спектра назначений) по осуществлению контроля методом ToFD, где его реализация затруднена или требует дополнительной нереализуемой или длительной технологической операции подготовки поверхности.
Специфические особенности достижения указанного технического результата для каждого из вариантов изобретения приведены в Таблице 1.
Технический результат изобретения достигается тем, что система неразрушающего контроля методом ToFD (изобретение по варианту 1) содержит излучатель со штатным пьезоэлементом, выполненным в форме круга, и приемник с пьезоэлементом, выполненным в форме круга, а кроме того, диаметр пьезоэлемента приемника равен двум диаметрам штатного пьезоэлемента.
В другом варианте изобретения (изобретение по варианту 2) система неразрушающего контроля методом ToFD содержит излучатель со штатным пьезоэлементом, выполненным в форме круга, и приемник с пьезоэлементом, а кроме того пьезоэлемент приемника выполнен в форме эллипса, при этом длина его меньшей полуоси имеет размер в диапазоне от полутора до двух радиусов штатного пьезоэлемента, а длина большей полуоси имеет размер в диапазоне от двух до трех радиусов штатного пьезоэлемента, при этом приемник ориентируют так, что большая полуось его пьезоэлемента находится в одной плоскости с акустическими осями излучателя и приемника (в направлении параллельного сканирования).
В другом варианте изобретения (изобретение по варианту 3) система неразрушающего контроля методом ToFD содержит излучатель с пьезоэлементом и приемник с пьезоэлементом, выполненным в форме круга, а кроме того пьезоэлемент излучателя выполнен в форме эллипса, при этом длина его меньшей полуоси равна радиусу штатного пьезоэлемента, длина большей полуоси имеет размер в диапазоне от трех до четырех радиусов штатного пьезоэлемента, а диаметр пьезоэлемента приемника равен двум диаметрам штатного пьезоэлемента, при этом излучатель ориентируют так, что большая полуось его пьезоэлемента перпендикулярна плоскости, образованной акустическими осями излучателя и приемника (в направлении непараллельного сканирования).
В другом варианте изобретения (изобретение по варианту 4) система неразрушающего контроля методом ToFD содержит излучатель с пьезоэлементом и приемник с пьезоэлементом, выполненным в форме круга, а кроме того пьезоэлемент излучателя выполнен в форме прямоугольника, ширина которого равна диаметру штатного пьезоэлемента, а длина имеет диапазон от трех до четырех диаметров штатного пьезоэлемента, при этом диаметр пьезоэлемента приемника равен двум диаметрам штатного пьезоэлемента, при этом излучатель ориентируют так, что длина его пьезоэлемента перпендикулярна плоскости, образованной акустическими осями излучателя и приемника (в направлении непараллельного сканирования).
В другом варианте изобретения (изобретение по варианту 5) система неразрушающего контроля методом ToFD содержит излучатель с пьезоэлементом и приемник с пьезоэлементом, отличающаяся тем, что пьезоэлемент излучателя выполнен в форме эллипса, при этом длина его меньшей полуоси равна радиусу штатного пьезоэлемента, длина большей полуоси имеет размер в диапазоне от трех до четырех радиусов штатного пьезоэлемента, а пьезоэлемент приемника выполнен в форме эллипса, при этом длина его меньшей полуоси имеет размер в диапазоне от полутора до двух радиусов штатного пьезоэлемента, а длина большей полуоси имеет размер в диапазоне от двух до трех радиусов штатного пьезоэлемента, при этом излучатель ориентируют так, что большая полуось его пьезоэлемента перпендикулярна плоскости, образованной акустическими осями излучателя и приемника (в направлении непараллельного сканирования), а приемник ориентируют так, что большая полуось его пьезоэлемента находится в одной плоскости с акустическими осями излучателя и приемника (в направлении параллельного сканирования).
В другом варианте изобретения (изобретение по варианту 6) система неразрушающего контроля методом ToFD содержит излучатель с пьезоэлементом и приемник с пьезоэлементом, а кроме того пьезоэлемент излучателя выполнен в форме прямоугольника, ширина которого равна диаметру штатного пьезоэлемента, а длина имеет диапазон от трех до четырех диаметров штатного пьезоэлемента, а пьезоэлемент приемника выполнен в форме эллипса, при этом длина его меньшей полуоси имеет размер в диапазоне от полутора до двух радиусов штатного пьезоэлемента, а длина большей полуоси имеет размер в диапазоне от двух до трех радиусов штатного пьезоэлемента, при этом излучатель ориентируют так, что длина его пьезоэлемента перпендикулярна плоскости, образованной акустическими осями излучателя и приемника (в направлении непараллельного сканирования), а приемник ориентируют так, что большая полуось его пьезоэлемента находится в одной плоскости с акустическими осями излучателя и приемника (в направлении параллельного сканирования).
В другом варианте изобретения (изобретение по варианту 7) система неразрушающего контроля методом ToFD содержит излучатель с пьезоэлементом и приемник с пьезоэлементом, выполненным в форме круга, а кроме того пьезоэлемент излучателя состоит из двух, имеющих общую длинную сторону прямоугольных пьезопластин, каждая из которых имеет ширину в диапазоне от полутора до двух диаметров штатного пьезоэлемента и длину в диапазоне от трех до четырех диаметров штатного пьезоэлемента, при этом акустические оси пьезопластин расходятся с углом в диапазоне от 1° до 4° от общей акустической оси преобразователя, а диаметр пьезоэлемента приемника равен двум диаметрам штатного пьезоэлемента, при этом излучатель ориентируют так, что общая сторона пьезопластин его пьезоэлемента перпендикулярна плоскости, образованной акустическими осями излучателя и приемника (в направлении непараллельного сканирования).
В другом варианте изобретения (изобретение по варианту 8) система неразрушающего контроля методом ToFD содержит излучатель с пьезоэлементом и приемник с пьезоэлементом, а кроме того пьезоэлемент излучателя состоит из двух, имеющих общую длинную сторону прямоугольных пьезопластин, каждая из которых имеет ширину в диапазоне от полутора до двух диаметров штатного пьезоэлемента и длину в диапазоне от трех до четырех диаметров штатного пьезоэлемента, при этом акустические оси пьезопластин расходятся с углом в диапазоне от 1° до 4° от общей акустической оси преобразователя, а пьезоэлемент приемника выполнен в форме эллипса, при этом длина его меньшей полуоси имеет размер в диапазоне от полутора до двух радиусов штатного пьезоэлемента, а длина большей полуоси имеет размер в диапазоне от двух до трех радиусов штатного пьезоэлемента, при этом излучатель ориентируют так, что общая сторона пьезопластин его пьезоэлемента перпендикулярна плоскости, образованной акустическими осями излучателя и приемника (в направлении непараллельного сканирования), а приемник ориентируют так, что большая полуось его пьезоэлемента находится в одной плоскости с акустическими осями излучателя и приемника (в направлении параллельного сканирования).
В другом варианте изобретения (изобретение по варианту 9) система неразрушающего контроля методом ToFD содержит излучатель с пьезоэлементом и приемник с пьезоэлементом, выполненным в форме круга, а кроме того пьезоэлемент излучателя состоит из двух, имеющих общую длинную сторону прямоугольных пьезопластин, каждая из которых имеет ширину в диапазоне от полутора до двух диаметров штатного пьезоэлемента и длину в диапазоне от трех до четырех диаметров штатного пьезоэлемента, при этом акустические оси пьезопластин сходятся с углом в диапазоне от 1° до 6° от общей акустической оси преобразователя, а диаметр пьезоэлемента приемника равен двум диаметрам штатного пьезоэлемента, при этом излучатель ориентируют так, что общая сторона пьезопластин его пьезоэлемента перпендикулярна плоскости, образованной акустическими осями излучателя и приемника (в направлении непараллельного сканирования).
В другом варианте изобретения (изобретение по варианту 10) система неразрушающего контроля методом ToFD содержит излучатель с пьезоэлементом и приемник с пьезоэлементом, а кроме того пьезоэлемент излучателя состоит из двух, имеющих общую длинную сторону прямоугольных пьезопластин, каждая из которых имеет ширину в диапазоне от полутора до двух диаметров штатного пьезоэлемента и длину в диапазоне от трех до четырех диаметров штатного пьезоэлемента, при этом акустические оси пьезопластин сходятся с углом в диапазоне от 1° до 6° от общей акустической оси преобразователя, а пьезоэлемент приемника выполнен в форме эллипса, при этом длина его меньшей полуоси имеет размер в диапазоне от полутора до двух радиусов штатного пьезоэлемента, а длина большей полуоси имеет размер в диапазоне от двух до трех радиусов штатного пьезоэлемента, при этом излучатель ориентируют так, что общая сторона пьезопластин его пьезоэлемента перпендикулярна плоскости, образованной акустическими осями излучателя и приемника (в направлении непараллельного сканирования), а приемник ориентируют так, что большая полуось его пьезоэлемента находится в одной плоскости с акустическими осями излучателя и приемника (в направлении параллельного сканирования).
Таким образом технический результат изобретения достигается за счет применения десяти комбинаций (комбинации: К1, К2, К3, К4, К5, К6, К7, К8, К9 и К10) излучателя и приемника, основанных на четырех вариантах конструкции пьезоэлемнтов излучателя (варианты И1, И2, И3 и И4) и двух вариантах конструкции пьезоэлементов приемника (варианты П1 и П2). Другие параметры пьезоэлементов (например, расстояние между точками ввода, известное как PCS - Probe Centre Separation) классической пары ToFD выбираются по известным методикам в зависимости от контролируемого объекта и сохраняются для предлагаемых в изобретении комбинаций.
Вариант И1 конструкции пьезоэлемента излучателя должен осуществляться увеличением площади штатного пьезоэлемента преобразователя и изменением его формы, которая должна быть реализована в виде эллипса, меньшая полуось которого равна радиусу штатного пьезоэлемента, а большая полуось имеет размер в диапазоне от трех до четырех радиусов штатного пьезоэлемента.
Вариант И2 конструкции пьезоэлемента излучателя должен осуществляться увеличением площади штатного пьезоэлемента и изменением его формы, которая должна быть реализована в виде прямоугольника, ширина которого равна диаметру штатного пьезоэлемента, а длина имеет размер в диапазоне от трех до четырех диаметров штатного пьезоэлемента.
Варианты И3 и И4 конструкций пьезоэлемнтов излучателя должны осуществляться увеличением площади штатного пьезоэлемента и изменением его конструкции таким образом, чтобы пьезоэлемент состоял из двух, имеющих общую длинную сторону прямоугольных пьезопластин, каждая из которых должна иметь ширину в диапазоне от полутора до двух диаметров штатного пьезоэлемента и длину в диапазоне от трех до четырех диаметров штатного пьезоэлемента, при этом в варианте конструкции И3 акустические оси пьезопластин должны расходиться с углом в диапазоне от 1° до 4° от общей акустической оси, а в варианте конструкции И4 акустические оси пьезопластин должны сходиться (скрещиваться) с углом в диапазоне от 1° до 6° от общей акустической оси.
Вариант П1 конструкции пьезоэлемента приемника должен осуществляться увеличением площади штатного пьезоэлемента путем увеличения диаметра пьезоэлемента в два раза, но не более. Форма пьезоэлемента должна быть сохранена (должна иметь форму круга).
Вариант П2 конструкции пьезоэлемента приемника должен осуществляться увеличением площади штатного пьезоэлемента, при этом форма должна быть реализована в виде эллипса, меньшая полуось которого имеет размер в диапазоне от полутора до двух радиусов штатного пьезоэлемента, а большая полуось - в диапазоне от двух до трех радиусов штатного пьезоэлемента.
Все предлагаемые в изобретении комбинации конструкций излучателя и приемника обеспечивают увеличение амплитуды полезных сигналов, таких как сигналы от дефектов, сигнал LW-волны, донный сигнал, при сохранении уровня аппаратных шумов.
Комбинация К1 (изобретение по варианту 1) характеризуется тем, что в качестве пьезоэлемента излучателя должен использоваться штатный пьезоэлемент, а в качестве пьезоэлемента приемника должен использоваться пьезоэлемент с конструкцией по варианту П1.
Комбинация К1 обеспечивает:
- увеличение амплитуд полезных сигналов до двух раз (здесь и далее увеличение амплитуд по отношению к контролю с использованием классической пары ToFD);
- сохранение соотношения амплитуд полезных сигналов (здесь и далее соотношение амплитуд по отношению к контролю с использованием классической пары ToFD);
- сохранение структуры индикаций (здесь и далее по отношению к структуре индикаций, получаемой в В-скане ToFD при применении классической пары ToFD).
Комбинация К2 (изобретение по варианту 2) характеризуется тем, что в качестве пьезоэлемента излучателя должен использоваться штатный пьезоэлемент, а в качестве пьезоэлемента приемника должен использоваться пьезоэлемент с конструкцией по варианту П2, при этом приемник для осуществления контроля должен быть ориентирован так, чтобы большая полуось его пьезоэлемента находилась в одной плоскости с акустическими осями излучателя и приемника (в направлении параллельного сканирования).
Комбинация К2 обеспечивает:
- увеличение амплитуд полезных сигналов до трех раз;
- сохранение соотношения амплитуд полезных сигналов;
- сохранение структуры индикаций при изменении только структуры индикаций LW-волны (изменение заключается в уменьшении количества полуволн в сигнале LW-волны, что должно расцениваться как положительный эффект, поскольку уменьшается мертвая зона контроля со стороны поверхности ввода).
Комбинация К3 (изобретение по варианту 3) характеризуется тем, что в качестве пьезоэлемента излучателя должен использоваться пьезоэлемент с конструкцией по варианту И1, а в качестве пьезоэлемента приемника должен использоваться пьезоэлемент с конструкцией по варианту П1, при этом излучатель должен быть ориентирован так, чтобы большая полуось его пьезоэлемента располагалась перпендикулярно плоскости, образованной акустическими осями излучателя и приемника (в направлении непараллельного сканирования).
Комбинация К3 обеспечивает:
- увеличение амплитуд сигналов от дефектов в три раза;
- увеличение амплитуд сигнала LW-волны до двух раз - умеренное увеличение амплитуды LW-волны для облегчения анализа дефектов, близко расположенных к поверхности ввода;
- увеличение амплитуды донного сигнала от пришовной поверхности в два раза,
- незначительное изменение структуры индикаций.
Комбинация К4 (изобретение по варианту 4) характеризуется тем, что в качестве пьезоэлемента излучателя должен использоваться пьезоэлемент с конструкцией по варианту И2, а в качестве пьезоэлемента приемника должен использоваться пьезоэлемент с конструкцией по варианту Ш, при этом излучатель должен быть ориентирован так, чтобы большая сторона его пьезоэлемента (длина) была перпендикулярна плоскости, образованной акустическими осями излучателя и приемника (в направлении непараллельного сканирования).
Комбинация К4 обеспечивает:
- увеличение амплитуд сигналов от дефектов в три раза;
- увеличение амплитуд сигнала LW-волны до трех раз;
- увеличение амплитуды донного сигнала от пришовной поверхности в два раза;
- незначительное изменение соотношения амплитуд полезных сигналов и структуры индикаций.
Комбинация К5 (изобретение по варианту 5) характеризуется тем, что в качестве пьезоэлемента излучателя должен использоваться пьезоэлемент с конструкцией по варианту И1, а в качестве пьезоэлемента приемника должен использоваться пьезоэлемент с конструкцией по варианту П2, при этом излучатель должен быть ориентирован так, чтобы большая полуось его пьезоэлемента была перпендикулярна плоскости, образованной акустическими осями излучателя и приемника (в направлении непараллельного сканирования), а приемник должен быть ориентирован так, чтобы большая полуось его пьезоэлемента находилась в одной плоскости с акустическими осями излучателя и приемника (в направлении параллельного сканирования).
Комбинация К5 обеспечивает:
- увеличение амплитуд сигналов от дефектов не менее чем в три раза;
- увеличение амплитуд сигнала LW-волны не менее чем в два раза -умеренное увеличение амплитуды LW-волны для облегчения анализа дефектов, близко расположенных к поверхности ввода;
- увеличение амплитуды донного сигнала от пришовной поверхности в два раза;
- незначительное изменение структуры индикаций.
Комбинация К6 (изобретение по варианту 6) характеризуется тем, что в качестве пьезоэлемента излучателя должен использоваться пьезоэлемент с конструкцией по варианту И2, а в качестве пьезоэлемента приемника должен использоваться пьезоэлемент с конструкцией по варианту П2, при этом излучатель должен быть ориентирован так, чтобы большая сторона его пьезоэлемента (длина) была перпендикулярна плоскости, образованной акустическими осями излучателя и приемника (в направлении непараллельного сканирования), а приемник должен быть ориентирован так, чтобы большая полуось его пьезоэлемента находилась в одной плоскости с акустическими осями излучателя и приемника (в направлении параллельного сканирования).
Комбинация К6 обеспечивает:
- увеличение амплитуд сигналов от дефектов и сигнала LW-волны не менее чем в три раза;
- увеличение амплитуды донного сигнала от пришовной поверхности в два раза;
- незначительное изменение соотношения амплитуд полезных сигналов и структуры индикаций.
Комбинация К7 (изобретение по варианту 7) характеризуется тем, что в качестве пьезоэлемента излучателя должен использоваться пьезоэлемент с конструкцией по варианту И3, а в качестве пьезоэлемента приемника должен использоваться пьезоэлемент с конструкцией по варианту П1, при этом излучатель должен быть ориентирован так, чтобы общая сторона пьезопластин его пьезоэлемента была перпендикулярна плоскости, образованной акустическими осями излучателя и приемника (в направлении непараллельного сканирования).
Комбинация К7 обеспечивает:
- увеличение амплитуд сигналов от дефектов до трех с половиной раз;
- увеличение амплитуд сигнала LW-волны до двух с половиной раз -умеренное увеличение амплитуды LW-волны для облегчения анализа дефектов, близко расположенных к поверхности ввода;
- увеличение амплитуды донного сигнала от пришовной поверхности не менее чем в два с половиной раза;
- стабильную регистрацию LW-волны при отклонениях акустической оси излучателя от номинального положения;
- измерение геометрических параметров дефектов при имеющемся изменении структуры индикаций.
Комбинация К8 (изобретение по варианту 8) характеризуется тем, что в качестве пьезоэлемента излучателя должен использоваться пьезоэлемент с конструкцией по варианту И3, а в качестве пьезоэлемента приемника должен использоваться пьезоэлемент с конструкцией по варианту П2, при этом излучатель должен быть ориентирован так, чтобы общая сторона пьезопластин его пьезоэлемента была перпендикулярна плоскости, образованной акустическими осями излучателя и приемника (в направлении непараллельного сканирования), а приемник должен быть ориентирован так, чтобы большая полуось его пьезоэлемента находилась в одной плоскости с акустическими осями излучателя и приемника (в направлении параллельного сканирования).
Комбинация К8 обеспечивает:
- увеличение амплитуд сигналов от дефектов не менее чем в четыре раза;
- увеличение амплитуд сигнала LW-волны в три раза;
- увеличение амплитуды донного сигнала от пришовной поверхности не менее чем в три с половиной раза;
- незначительное изменение соотношения амплитуд полезных сигналов;
- стабильную регистрацию LW-волны при отклонениях акустической оси излучателя от номинального положения;
- измерение геометрических параметров дефектов при имеющемся изменении структуры индикаций.
Комбинация К9 (изобретение по варианту 9) характеризуется тем, что в качестве пьезоэлемента излучателя должен использоваться пьезоэлемент с конструкцией по варианту И4, а в качестве пьезоэлемента приемника должен использоваться пьезоэлемент с конструкцией по варианту П1, при этом излучатель должен быть ориентирован так, чтобы общая сторона пьезопластин его пьезоэлемента была перпендикулярна плоскости, образованной акустическими осями излучателя и приемника (в направлении непараллельного сканирования).
Комбинация К9 обеспечивает:
- увеличение амплитуд сигналов от дефектов до пяти раз;
- увеличение амплитуд сигнала LW-волны не менее чем в три раза;
- увеличение амплитуды донного сигнала от пришовной поверхности не менее чем в три с половиной раза;
- незначительное изменение соотношения амплитуд полезных сигналов;
- стабильную регистрацию LW-волны при отклонениях акустической оси излучателя от номинального положения;
- измерение геометрических параметров дефектов при имеющемся изменении структуры индикаций.
Комбинация К10 (изобретение по варианту 10) характеризуется тем, что в качестве пьезоэлемента излучателя используют пьезоэлемент с конструкцией по варианту И4, а в качестве пьезоэлемента приемника используют пьезоэлемент с конструкцией по варианту П2, при этом излучатель должен быть ориентирован так, чтобы общая сторона пьезопластин его пьезоэлемента была перпендикулярна плоскости, образованной акустическими осями излучателя и приемника (в направлении непараллельного сканирования), а приемник должен быть ориентирован так, чтобы большая полуось его пьезоэлемента находилась в одной плоскости с акустическими осями излучателя и приемника (в направлении параллельного сканирования).
Комбинация К10 обеспечивает:
- увеличение амплитуд сигналов от дефектов не менее чем в пять раз;
- увеличение амплитуд сигнала LW-волны не менее чем в три раза;
- увеличение амплитуды донного сигнала от пришовной поверхности до четырех раз;
- стабильную регистрацию LW-волны при отклонениях акустической оси излучателя от номинального положения;
- измерение геометрических параметров дефектов при имеющемся изменении структуры индикаций.
Уровень амплитуд сигналов от дефектов при применении комбинации К10 становится соизмеримым с уровнем амплитуд сигналов от дефектов при эхо-методе «CD» (CD - crack detector, прозвучивание поперечной волной с углом ввода, как правило, 45°), широко используемом при внутритрубной диагностике трубопроводов дефектоскопами, движущимися с потоком перекачиваемого продукта. Это свойство совместно со свойством стабильной регистрации LW-волны с высокой амплитудой и позволяет реализовать метод ToFD для внутритрубной диагностики с использованием кроулеров и, что более важно, автономных внутритрубных инспекционных приборов.
Сущность изобретения поясняется на чертежах и таблицей 1.
На фиг. 1 показана штатная схема реализации метода ToFD с классической парой ToFD.
На фиг. 2 приведена схема контроля с комбинацией К1.
На фиг. 3 приведена схема контроля и предлагаемые по изобретению конструкции пьезоэлементов.
На фиг. 4 приведена схема работы пьезоэлементов излучателей И3 и И4.
На фиг. 5 приведен пример контактного контроля темплеты толщиной 10 мм с дефектом «несплавление поперечного сварного шва».
На фиг. 6 приведен пример иммерсионного контроля темплеты толщиной 10 мм с дефектом «усталостная трещина по границе продольного шва».
На фиг.7  приведен пример иммерсионного контроля темплеты толщиной 29 мм с имитатором дефекта «усталостная трещина в продольном шве».
На фиг. 8 и 9 приведены примеры иммерсионного контроля темплеты толщиной 29 мм с имитатором дефекта «усталостная трещина в продольном шве» с применением комбинаций К8 (фиг. 8) и К10 (фиг. 9).
В таблице 1 приведена сводная информация по комбинациям от К1 до К10.
На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - излучатель;
2 - приемник;
3 - штатный пьезоэлемент;
4 - контролируемый объем (сварной шов и основной металл)
5 - объект контроля;
6 - LW-волна;
7 - вариант П1 конструкции приемника;
8 - вариант И1 конструкции излучателя;
9 - вариант И2 конструкции излучателя;
10 - вариант И3 конструкции излучателя;
11 - вариант И4 конструкции излучателя;
12 - вариант П2 конструкции приемника;
13 - акустические оси преобразователей;
14 - общая сторона прямоугольных пьезопластин;
15 - прямоугольные пьезопластины;
16 - акустические оси прямоугольных пьезопластин;
17 - амплитуда индикации, имеющей максимальное значение среди амплитуд индикаций от дефекта;
18 - индикации, имеющие максимальное значение среди амплитуд индикаций от дефекта;
19 - индикации от дефекта при прозвучивании продольной волной;
20 - донный сигнал продольной волны;
21 - донный сигнал от пришовной поверхности;
22 - донный сигнал поперечной волны;
23 - сигнал от дефекта при прозвучивании поперечной волной;
24 - эффект затенения донного сигнала;
25 - линия на В-скане, определяющая локальный скан по дистанции с А-сканом, содержащим индикацию с максимальной амплитудой;
26 - аппаратные шумы;
27 - мелкие дефекты (дефекты, размеры которых не превышают длину используемой при контроле ультразвуковой волны).
Контроль методом ToFD в соответствии со штатной схемой (схему контроля методом ToFD принято условно отображать в соответствии с фиг. 1) осуществляется с использованием классической пары ToFD, конфигурация которой характеризуется применением в излучателе 1 и приемнике 2 идентичного пьезоэлемента - штатного пьезоэлемента 3, имеющего в плане форму круга с диаметром ∅D (фиг. 1). Диаметр ∅D и контролируемый объем 4 определяются по известным методикам в зависимости от характеристик объекта контроля 5 (толщина стенки, размеры и тип шва, другие характеристики) или, в некоторых случаях, условием проходимости LW-волны 6.
Для получения заявленного в изобретении эффекта безаппаратного увеличения (по отношению к штатной схеме) амплитуд полезных сигналов необходимо выполнить контроль с предлагаемыми в изобретении различными комбинациями конструкций пьезоэлементов излучателя и приемника, например, с комбинацией, приведенной на фиг. 2 и условно обозначенной К1. Эта комбинация состоит из излучателя 1 со штатной конструкцией пьезоэлемента 3 и приемника 2 с конструкцией пьезоэлемента 7, отличающейся вдвое большим диаметром (размер ∅2D, фиг. 2), чем диаметр (размер ∅D, фиг. 1 и 2) штатного пьезоэлемента 3. Такая конструкция пьезоэлемента 7 приемника 2 условно обозначена П1 (позиция 7 фиг. 3). Всего в изобретении предлагается десять комбинаций, отличающихся от штатной классической пары ToFD конструкцией излучателя и/или приемника, условно обозначенных от К1 до К10. Они включают:
- штатную конструкцию пьезоэлемента (позиция 3, фиг. 1 и 2) излучателя 1 и новые, предлагаемые в изобретении, варианты конструкций пьезоэлемента излучателя 1, условно обозначенные И1, И2, И3 и И4 (позиции 8, 9, 10, 11 соответственно, фиг. 3);
- новые, предлагаемые в изобретении, варианты конструкций пьезоэлемента приемника 2, условно обозначенные П1 и П2 (позиции 7 и 12 соответственно, фиг. 3).
На фиг. 2 и 3 размер D равен диаметру ∅D штатного пьезоэлемента 3 классической пары ToFD. В таблице 1 приведена сводная информация по каждой комбинаций от К1 до К10, с градацией результатов контроля по увеличению амплитуды полезных сигналов и изменениям структуры индикаций в В-скане ToFD в зависимости от сочетания конструкций пьезоэлементов излучателя 1 и приемника 2, а также в сравнении со штатной комбинацией излучателя 1 и приемника 2, то есть в сравнении с классической парой ToFD.
Ниже подробно описаны предлагаемые в изобретении конструкции пьезоэлементов и условия их применения.
Вариант И1 (позиция 8, фиг. 3) конструкции пьезоэлемента излучателя 1 должен быть реализован в виде эллипса с малой полуосью (размер D на поз. 8 фиг. 2 соответствует двум меньшим полуосям эллипса), равной радиусу штатного пьезоэлемента 3, и с большей полуосью (размер 4D на поз. 8 фиг. 2 соответствует двум большим полуосям эллипса), имеющей размер в диапазоне от трех до четырех радиусов штатного пьезоэлемента 3. При контроле большая полуось пьезоэлемента 8 должна быть перпендикулярна плоскости, образованной акустическими осями 13 излучателя 1 и приемника 2 (в направлении непараллельного сканирования).
Вариант И2 (пьезоэлемент 9, фиг. 3) конструкции пьезоэлемента излучателя 1 должен быть реализован в виде прямоугольника с шириной (размер D на поз. 9 фиг. 2), равной диаметру ∅D штатного пьезоэлемента 3, и с длиной (размер 4D на поз. 9 фиг. 2), имеющей диапазон от трех до четырех диаметров ∅D штатного пьезоэлемента 3. При контроле большая сторона (длина) пьезоэлемента 9 должна быть перпендикулярна плоскости, образованной акустическими осями 13 излучателя 1 и приемника 2 (в направлении непараллельного сканирования).
Варианты И3 (позиция 10, фиг. 3 и 4) и И4 (позиция 11, фиг. 3 и 4) конструкции пьезоэлемента излучателя 1 должны быть реализованы таким образом, чтобы их пьезоэлементы состояли из двух, имеющих общую длинную сторону 14 (фиг. 3 и 4) прямоугольных пьезопластин 15 (фиг. 4), каждая из которых должна иметь ширину (размер 2D на поз. 15 фиг. 4) в диапазоне от полутора до двух диаметров ∅D штатного пьезоэлемента 3 и длину (размер 4D на поз. 15 фиг. 4) в диапазоне от трех до четырех диаметров ∅D штатного пьезоэлемента 3, при этом в варианте конструкции И3 акустические оси 16 (фиг. 4) пьезопластин 15 должны расходиться с углом (угол β на фиг. 4) в диапазоне от 1° до 4° от акустической оси 13 излучателя 1, а в варианте И4 акустические оси 16 пьезопластин 15 должны сходиться (пересекаться) с углом (угол ϕ на фиг. 4) в диапазоне от 1° до 6° от акустической оси 13 излучателя 1. При контроле с применением вариантов И3 и И4 (позиции 10 и 11, фиг. 3 и 4) конструкции пьезоэлемнтов 10 и 11 излучателя 1 общая сторона 14 пьезопластин 15 (фиг. 3 и 4) должна быть перпендикулярна плоскости, образованной акустическими осями 13 излучателя 1 и приемника 2 (в направлении непараллельного сканирования, фиг. 3).
Вариант П1 (позиция 7, фиг. 3) конструкции пьезоэлемента приемника 2 должен осуществляться путем увеличения диаметра ∅D штатного пьезоэлемента 3 в два раза (размер ∅2D на фиг. 2), но не более, при этом форма пьезоэлемента должна быть сохранена, то есть пьезоэлемент должен иметь форму круга как у штатного пьезоэлемента.
Вариант П2 (позиция 12, фиг. 3) конструкции пьезоэлемента приемника 2 должен быть реализован в виде эллипса с меньшей полуосью, имеющей размер в диапазоне от полутора до двух радиусов штатного пьезоэлемента 3 (размер 2D на поз. 12 фиг. 3 соответствует двум малым полуосям эллипса), и с большей полуосью (размер 3D на поз. 12 фиг. 3 соответствует двум большим полуосям эллипса), имеющей размер в диапазоне от двух до трех радиусов штатного пьезоэлемента 3. При контроле большая полуось пьезоэлемента 12 должна находится в одной плоскости с акустическими осями излучателя 1 и приемника 2 (в направлении параллельного сканирования).
Как видно из таблицы 1, комбинации К1 и К2 конструкций пьезоэлементов излучателя 1 и приемника 2 имеют принципиальное отличие от остальных комбинаций, предлагаемых в изобретении. Отличие заключается в том, что применение этих комбинаций сохраняет структуру индикаций (включая соотношение амплитуд полезных сигналов), получаемую в В-скане ToFD классической пары ToFD. Использование комбинации К2 может дать (зависит от других не рассматриваемых в изобретении параметров преобразователей, например, от толщины пьезопластины) уменьшение количества полуволн в сигнале LW-волны 6, что должно расцениваться как положительный эффект, уменьшающий мертвую зону со стороны поверхности ввода. Поскольку фронт давления звуковой волны, приходящий на приемник и формирующий регистрируемые сигналы, имеет сферическую форму, сохранение структуры индикаций, получаемой в В-скане ToFD классической пары ToFD, обеспечивается сохранением контролируемого объема 4, сохранение которого в свою очередь обеспечивается за счет применения (сохранения) в комбинациях К1 и К2 излучателя, идентичного классической паре ToFD.
На фиг. 5, 6 и 7 для сравнения приведены примеры контроля с применением классической пары ToFD и комбинаций К1 и К2. На фиг. 5 приведен пример контактного контроля темплеты толщиной 10 мм с дефектом «несплавление поперечного сварного шва», на фигуре 6 приведен пример иммерсионного контроля темплеты толщиной 10 мм с дефектом «усталостная трещина по границе продольного шва», на фигуре 7 приведен пример иммерсионного контроля темплеты толщиной 29 мм с имитатором дефекта «усталостная трещина в продольном шве». В верхней части фигур 5, 6 и 7 приведены результаты контроля (А-скан и В-скан) с применением классической пары ToFD (С567 Olympus, диаметр пьезоэлемента - 3 мм, номинальная частота - 5 МГц). В нижней части фигур 5 и 6 приведены результаты контроля с применением комбинации К1 (излучатель - С567 и приемник - С563 Olympus, диаметр пьезоэлемента - 6 мм, номинальная частота - 5 МГц). В нижней части фигуры 7 приведены результаты контроля с применением комбинации К2 (излучатель - С567 и приемник - преобразователь с конструкцией, соответствующей П2, номинальная частота - 5 МГц). Параметры генератора зондирующих импульсов и параметры приемника дефектоскопа идентичны в обоих случаях контроля (при применении классической пары ToFD и при применении комбинаций К1 и К2) и устанавливались в соответствии с методиками для реализации штатной схемы метода ToFD. По этой причине на нижнем А-скане фигуры 5 амплитуда 17 индикации 18, имеющей максимальное значение среди амплитуд индикаций 19 от дефекта, превышает полную высоту экрана (значение 100% на А-скане). Сравнение В-сканов (см. фиг. 5, 6 и 7) классической пары ToFD и комбинаций К1 и К2 показывает, что имеется пропорциональное увеличение около двух раз всех полезных сигналов: LW-волны 6, донного сигнала продольной волны 20, донного сигнала от пришовной поверхности 21, донного сигнала поперечной волны 22, сигналов от дефекта, отображаемых индикациями 19 и 23, являющихся результатом прозвучивания продольной и поперечной волной соответственно. Кроме этого, при применении комбинации К1 и К2 сохраняется эффект затенения 24 донного сигнала 20. Линия 25 на В-скане определяет локальный скан по дистанции с А-сканом, содержащим индикацию 18 с максимальной амплитудой 17 индикаций 19 от дефекта, величина которой для дефекта «несплавление поперечного сварного шва» (фиг. 5) возросла в 1,83 раза, для дефекта «усталостная трещина по границе продольного шва» (фиг. 6) возросла в 2,10 раза, а для дефекта «усталостная трещина в продольном шве» (фиг. 7) возросла в 2,24 раза.
По сравнению с классической парой ToFD увеличение амплитуды полезных сигналов при применении комбинаций К1 и К2 достигается только за счет увеличения диаметра пьезоэлемента принимающего преобразователя. Площадь пьезоэлемента конструкции П1, используемого в комбинации К1, в 4 раза больше площади штатного пьезоэлемента, а площадь пьезоэлемента конструкции П2 - в 6 раз. Преобразователи конструкций П1 и П2 могут иметь отличную от штатного преобразователя реверберационно-шумовую характеристику (РШХ). Но при современном уровне качества преобразователей, предназначенных для реализации метода ToFD, общим увеличением аппаратных шумов 26 (при осуществлении контроля может оказаться, что шумы уменьшатся) можно пренебречь, поскольку их величина несоизмеримо мала (бесконечно мала) по сравнению с увеличением амплитуд полезных сигналов. Необходимо отметить, что в соответствии с комбинацией К2, предлагаемой в изобретении, площадь штатного пьезоэлемента 3 приемника 2 может быть увеличена меньше чем в шесть раз (см. вариант конструкции П2 пьезоэлемента приемника). Эффект увеличения амплитуды в этом случае будет выражен в меньшей степени. Целесообразнее применить максимальный по площади пьезоэлемент приемника в варианте П2, поскольку структура индикаций практически не зависит от увеличения пьезоэлемента в пределах диапазонов размеров, указанных в варианте П2. Однако для обеспечения структуры индикаций идентичной структуре, полученной классической парой ToFD, необходимо применение пьезоэлемента с минимальными значениями размеров из указанного диапазона размеров в варианте П2.
Применение остальных восьми комбинаций (комбинации К3-К10), предлагаемых в изобретении, приводит к отличиям структуры индикаций получаемой при контроле каждой из этих комбинаций от структуры, полученной классической парой ToFD. Вместе с тем комбинации К3-К10 дают большее увеличение амплитуды полезных сигналов. С увеличением номера комбинации от КЗ до К10 (см. таблицу 1) увеличивается амплитуда полезных сигналов, но и увеличивается степень изменения структуры индикаций. При осложненных условиях контроля, необходимая комбинация должна быть выбрана по таблице 1 из условий получения при настройке аппаратуры контроля, требуемого известной нормативной документацией (приведена выше) уровня сигнала LW-волны и донного сигнала.
На фигурах 8 и 9 приведены примеры иммерсионного контроля темплеты толщиной 29 мм с имитатором дефекта «усталостная трещина в продольном шве» с применением комбинаций «К8» (фиг. 8) и «К10» (фиг. 9). Ранее на фигуре 7 были показаны примеры контроля этой темплеты классической парой ToFD и комбинацией К2. По сравнению с классической парой ToFD увеличение максимальной амплитуды 17 индикаций 19 от дефекта в случае применения комбинации К8 составило 4,4 раза, а в случае применения комбинации К10 составило 5,2 раза. Особенностью применения комбинации К8 является приемлемое изменение структуры индикаций при существенном увеличении амплитуды индикаций от дефектов. А особенностью применения комбинации К10, кроме максимального эффекта увеличения амплитуд полезных сигналов среди предлагаемых в изобретении комбинациях, является ряд факторов. Во-первых, имеется эффект существенного увеличения чувствительности к мелким дефектам, заключающийся в выявлении дефектов, которые не выявляются классической парой ToFD и значительном увеличении амплитуды сигналов от мелких дефектов 27, выявляемых классической парой ToFD, при этом амплитуда дефектов, выявляемых классической парой ToFD, увеличивается от 7 до 10 раз (в зависимости от задач контроля увеличение чувствительности к мелким дефектам является положительным или отрицательным эффектом и должно учитываться при выборе комбинации с использованием таблицы 1). Во-вторых, применение комбинации К10 приводит к затруднению классификации дефектов из-за проблемного выявления затенения донного сигнала. В-третьих, характер сигнала LW-волны, сформированный комбинацией К10, имеет недостаток, которым является большое количество полуволн в составе LW-волны, что осложняет обнаружение и классификацию некоторых дефектов со стороны поверхности ввода. Однако, несмотря на перечисленные недостатки, при осложненных случаях контроля, применение комбинации К10 может стать единственным решением по причине максимального возможного среди предлагаемых вариантов увеличения амплитуды всех полезных сигналов, включая сигнал LW-волны.
В целом увеличение амплитуды полезных сигналов при применении комбинаций от КЗ до К10 достигается не только за счет увеличения площади пьезоэлемента принимающего преобразователя, но и за счет увеличения плотности ультразвуковой энергии, создаваемой излучателем (конструкции от И1 до И4), во всем контролируемом объеме 4. В конструкциях И1 и И2 сохранение контролируемого объема 4 обеспечивается применением пьезоэлемента с сохранением размера 0D штатного пьезоэлемента 3 в направлении параллельного сканирования (размер D на поз. 8 и 9 фиг. 3). В конструкциях И3 и И4 сохранение контролируемого объема 4 обеспечивается применением преобразователя с двумя пьезопластинами, расположенными под углом к акустической оси 13 излучателя (фиг. 4). Углы β и ϕ выбираются на этапе разработки технологии контроля конкретного объекта или изделия. В разработку должна быть включена процедура определения основных параметров (диаметр и номинальная частота) классической пары ToFD как исходных данных. Для выбора углов β и ϕ может быть использовано специализированное программное обеспечение, широко используемое для проектирования ультразвукового контроля.
При выборе конструкции И3 или И4 для получения максимальной плотности ультразвуковой энергии при одинаковых углах β и φ необходимо использовать конструкцию И4. Обе конструкции имеют высокую стабильность сигнала LW-волны в широком диапазоне отклонения акустической оси 13 излучателя 1 от оптимальных значений. Это свойство необходимо при реализации контроля методом ToFD с применением сканеров или автоматических аппаратов, где невозможна строгая ориентация излучателя и приемника относительно объекта контроля, например, для внутритрубной диагностики трубопроводов с применением самоходных кроулеров или дефектоскопов, движущихся с потоком перекачиваемого продукта. Однако конструкция И3 имеет ряд преимуществ перед конструкцией И4 при одинаковых углах β и ϕ. Во-первых, обеспечивается меньшее изменение структуры индикаций (см. пояснения выше к фиг. 8 и 9) и меньшая их зависимость от изменения условий в процессе контроля. Во-вторых, обеспечивается больший контролируемый объем. И в-третьих, что наиболее важно, обеспечивается большая стабильность LW-волны при отклонении акустической оси. Конструкцию И4 целесообразно выбирать для объектов контроля, труднопроходимых для LW-волны, например, при контроле через неподготовленные поверхности сварных соединений, имеющих разнотолщинность, смещение свариваемых кромок (особенно если необходимо выявление дефектов на фоне смещения), широкие валики продольного шва, ширина которых не позволяет обеспечить требуемое значение PCS. Также конструкцию И4 целесообразно применять при контроле через поверхности объекта контроля, имеющего антикоррозионное покрытие или неподготовленные поверхности с высокой шероховатостью и загрязнениями.