Ультразвуковой дефектоскоп с тест-образцом

Полезная модель относится к области неразрушающего акустического контроля и может быть использована для оперативной (периодической) проверки работоспособности ультразвуковых (УЗ) дефектоскопов в процессе поиска с помощью них дефектов в разнообразных материалах и изделиях промышленности, например в сварных соединениях, в железнодорожных рельсах.
Известен способ проверки работоспособности УЗ-дефектоскопа по ГОСТ Р 55724-2013 [1] и ГОСТ 18576-85 [2] с применением тех же мер (стандартных образцов) либо настроечных образцов (НО), которые использовались при его настройке. При этом электроакустический преобразователь (ЭАП) устанавливают на меру (или НО), предварительно нанеся контактирующую жидкость, ЭАП излучают импульсные УЗ-колебания в меру (НО), принимают отраженные от внутреннего отражателя или поверхности меры (НО) УЗ-колебания (эхо-сигналы), усиливают их, осуществляют временную селекцию и подают на индикаторы дефектоскопа, а о работоспособности дефектоскопа судят по амплитуде эхо-сигналов и срабатыванию его индикаторов. Используемые меры (НО) по ГОСТ Р 55724-2013 [1] и ГОСТ 18576-85 [2] изготовлены из металла или органического стекла с внутренними отражателями в виде цилиндрических сверлений, выпуклых радиальных поверхностей или пропилов. Данные операции должны производиться при каждом включении аппаратуры и не реже чем через каждые 30-240 мин непрерывной работы дефектоскопа (см. например, с. 15, п. 3.6 ГОСТ 17410-78 [3]). Периодичность проверки определяется типом дефектоскопа, условиями контроля и устанавливается нормативно-технической документацией (НТД) на контроль. Аналогичные образцы из металлов (сталь, алюминий) и органического стекла для настройки и проверки дефектоскопов применяют все ведущие в мире фирмы в области неразрушающего контроля (Японии, США, Германии и т.д. [4-6]).
Недостатки данных устройств - нетехнологичность и ненадежность применения, обусловленные тем, что металлические меры (НО) имеют значительную массу (например, наиболее часто применяемая мера - образец СО-2 имеет массу 2,8 кг). При работе в цеховых и полевых условиях это существенно повышает суммарную массу носимого комплекта дефектоскопического оборудования (дефектоскоп ≈1,5-2,5 кг, кабели и ЭАП ≈0,5 кг, емкость с контактирующей жидкостью ≈0,5 кг и металлическая мера (меры) ≈2,8-5 кг). В результате оператор-дефектоскопист старается исключить из носимого комплекта меру (НО) и тем самым нарушает требования НТД на контроль, резко снижая надежность контроля. Ряд контактирующих жидкостей вызывает коррозию стальных образцов.
Известно техническое решение [7] для проверки работоспособности УЗ-дефектоскопа, заключающееся во включении в электрическую схему дефектоскопа специального имитатора тестового сигнала, изменении амплитуды тестового сигнала синхронно и по обратной связи с амплитудой сигнала блока временной регулировки чувствительности (ВРЧ) и в оценке работоспособности УЗ-дефектоскопа по результирующему сигналу, находящемуся в поле допуска контролируемого сигнала.
Недостатками данного способа являются необходимость вмешательства в электронную схему дефектоскопа - включение имитатора тестового сигнала и отсутствие возможности проверки акустического блока дефектоскопа. В то же время в соответствии с [8], УЗ-дефектоскоп представляет собой устройство, состоящее как минимум из двух блоков: электронного и акустического. В практике контроля чаще всего в процессе работы отказывает акустический блок, состоящий из одного или нескольких ЭАП, или же кабель (кабели), соединяющие ЭАП с электронным блоком. Другим недостатком данного способа является возможность проверять работоспособность только части УЗ-дефектоскопа - приемного тракта электронного блока. При этом проверка ЭАП (акустического блока) и в целом дефектоскопа не осуществляется.
Известно устройство [9] для настройки и поверки УЗ-приборов, которое позволяет проверять работоспособность всего электроакустического тракта дефектоскопа. Контроль работоспособности дефектоскопа с помощью данного устройства производится путем размещения рабочего ЭАП в специальную акустическую ванну с иммерсионной жидкостью с основными и дополнительными образцовыми ЭАП, генерации образцового сигнала и приеме этого сигнала рабочим ЭАП дефектоскопа.
Недостатком данного устройства является сложная электрическая схема, целая серия основных и дополнительных образцовых ЭАП, громоздкая акустическая ванна с жидкостью. Естественно оно не может быть использовано для оперативной проверки работоспособности УЗ-дефектоскопа в полевых и цеховых условиях.
Другое известное техническое решение [8] основывается на том, что в переднюю панель некоторых УЗ отечественных (А1210; В7-287; УДТ-20; ТУЗ-2 и других) и зарубежных (например, CL5) толщиномеров встроен тест-образец из стали или другого металла в виде плоского цилиндра или усеченного конуса высотой порядка 2,7-4,0 мм. Донный сигнал от противоположной грани тест-образца возможно использовать для калибровки задержки в призме преобразователя и для проверки работоспособности акустического тракта толщиномера при использовании прямого совмещенного или раздельно-совмещенного ЭАП.
Главным недостатком данного устройства является возможность проверки тракта только для прямых ЭАП (что для дефектоскопов является недостаточно), а также то, что точность измерения толщины может быть проверена только в случае установки на толщиномере скорости УЗ-колебаний, совпадающей со скоростью в встроенном тест-образце.
Таким образом, все описанные выше устройства обладают низкой достоверностью и технологичностью. Кроме того, автору не известны компактные и легкие устройства, встраиваемые в корпус УЗ-дефектоскопа, для оперативной проверки работоспособности его акустического тракта и ряда параметров контроля.
Наиболее близким устройством к предлагаемой полезной модели и принятым за прототип являются ультразвуковой дефектоскоп с тест-образцом, содержащий корпус электронного блока, генератор зондирующих импульсов, приемный тракт, систему селекции и индикаторы, а также электроакустические преобразователи, кабели, соединяющие ЭАП с электронным блоком, а также выносное устройства в виде блока для проверки работоспособности полного акустического тракта УЗ-дефектоскопа. Устройство [10] состоит из встроенного генератора зондирующих импульсов и пьезопластин, которые при получении УЗ-сигнала от ЭАП дефектоскопа возбуждают УЗ-колебания в обратном направлении. Данное техническое решение реализовано в устройстве КРАБ-М для проверки многоканального дефектоскопа ПОИСК- 10Э, которым осуществляется контроль рельсов под фиксированными углами ввода, и в схожих устройствах-имитаторах дефекта для проверки работы каналов съемных и мобильных средств УЗ-контроля рельсов, а также в тренажерах для контроля стыковых сварных соединений листов «ГАТЧИНА» [11] и рельсовом - ТУР-200 [12].
Преимуществами прототипа являются малая масса устройства и возможность оперативной проверки работоспособности всех каналов многоканального дефектоскопа.
Недостаток прототипа состоит в том, что пьезопластины в его акустических блоках расположены под углами, близкими к углам ввода преобразователей, осуществляющих контроль. Это позволяет осуществлять контроль работоспособности только определенных акустических блоков дефектоскопа и для проверки других блоков требуются другие акустические блоки устройства. В общем случае, для возбуждения обратной УЗ-волны в широком диапазоне углов необходимо использование значительного количества пьезопластин, встроенных в акустические блоки устройства. Другим существенным недостатком является наличие дополнительного акустического тракта со своим генератором зондирующих импульсов, пьезопластинами, усилителем, схемой временной селекции и коммутатором, который по мере эксплуатации может выходить из строя и требует периодической проверки (поверки).
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение достоверности контроля за счет периодического использования встроенного в дефектоскоп тест-образца для оперативной проверки работоспособности его акустического тракта и ряда параметров в процессе проведения контроля.
Ожидаемым техническим результатом полезной модели является повышение достоверности и технологичности контроля за счет возможности проведения периодической проверки работоспособности УЗ-дефектоскопа без использования дополнительных устройств и приспособлений.
Поставленная задача решается путем реализации ультразвукового дефектоскопа с тест-образцом, содержащего корпус электронного блока, генератор зондирующих импульсов, приемный тракт, систему селекции и индикаторы (дисплей и звуковые), а также ЭАП, кабели, соединяющие ЭАП с электронным блоком, тест-образец, при этом тест-образец встроен в корпус дефектоскопа, имеет выпуклую радиальную и плоскую отражающие поверхности, контактная поверхность образца совпадает или приподнята над плоскостью корпуса дефектоскопа, вблизи нее или на ней нанесены риски, соответствующие центру выпуклой радиальной поверхности, тест-образец выполнен из термостабильного материала с акустическими характеристиками, обеспечивающими амплитудные и временные положения эхо-сигналов от отражающих поверхностей в рабочей зоне дефектоскопа, перпендикулярная контактной поверхности торцевая грань образца содержит акустическую ловушку.
Основными отличиями предлагаемого технического решения являются:
1. Тест-образец встроен в корпус дефектоскопа. В прототипе акустический блок представляет собой отдельное устройство, что снижает его технологичность.
2. По периметру контактной поверхности (поверхности ввода УЗ-колебаний) тест-образца выполнена герметизация для исключения попадания контактирующей жидкости внутрь электронного блока дефектоскопа. В прототипе это не требуется, так как акустический блок не встроен в корпус дефектоскопа, а представляет собой отдельное устройство.
3. Тест-образец имеет малые габаритные размеры (длина не более 70 мм) и незначительную массу (десятки грамм), что практически не увеличивает общую массу дефектоскопа. Размеры тест-образца выбраны такими, чтобы отраженный от донной и выпуклой радиальной поверхностей эхо-сигнал имел временную задержку несколько десятков микросекунд для исключения его попадания в зону реверберационных шумов зондирующего импульса и «активную» зону действия временной регулировки чувствительности приемного тракта дефектоскопа, где данные шумы наибольшим образом подавляются. В прототипе акустический блок также имеет небольшие размеры и массу, но представляет собой отдельное устройство с источником питания.
4. Материал встроенного тест-образца представляет собой термостабильный аналог органического стекла, который обеспечивает работу тест-образца в широком диапазоне температур. В прототипе жесткие требования к материалу акустического блока не предъявляются, а задержка сигнала формируется электронным способом.
5. На корпусе дефектоскопа по обе стороны от поверхности ввода встроенного тест-образца или непосредственно на ней имеются риски, соответствующие центру радиальной поверхности.
6. Торцевая грань, перпендикулярная поверхности ввода УЗ-колебаний, имеет акустическую ловушку. В прототипе используется прямой луч, отраженные лучи не рассматриваются.
Устройство полезной модели поясняется следующими графическими материалами:
фиг. 1. - общий вид тест-образца с установленными на него наклонным (а) и прямым (б) ЭАП:
1 - ЭАП;
2 - тест-образец;
3 - торцевая грань тест-образца, акустическая ловушка шумов в образце;
4 - риски для размещения ЭАП;
5 - контактная поверхность тест-образца;
6 - донная поверхность тест-образца;
7 - выпуклая радиальная поверхность тест-образца.
Фиг. 2. - размещение встроенного тест-образца в корпусе дефектоскопа:
1 - ЭАП;
2 - тест-образец;
4 - риски для размещения ЭАП;
5 - контактная поверхность тест-образца;
8 - корпус электронного блока дефектоскопа;
9 - отраженный сигнал от тест-образца.
Фиг. 3. - пример реализации встроенного тест-образца в новом УЗ-дефектоскопе АВИКОН-20:
2 - тест-образец.
8 - корпус электронного блока дефектоскопа.
Полезную модель рекомендуется использовать для проверки работоспособности всего генераторно-приемного тракта дефектоскопа, включая ЭАП и подходящие к нему кабели с разъемами. Кроме того, возможна проверка значений параметров, которые могут измениться в процессе проведения контроля из-за износа призмы ЭАП:
- положение точки выхода луча (для наклонных ЭАП);
- двойное время в призме ЭАП;
- чувствительность.
Встроенный тест-образец используется в момент краткосрочной приостановки проведения контроля для:
- периодической проверки работоспособности дефектоскопа;
- проверки дефектоскопа в необходимых случаях.
Размещение ЭАП на встроенном в дефектоскоп тест-образце осуществляется следующим образом (фиг. 1):
- наклонный ЭАП 1 устанавливают на тест-образец 2 так, чтобы точки выхода луча ЭАП находились против рисок образца 5;
- прямой ЭАП размещают между рисками 5 и «задней» торцевой поверхностью образца 3.
Предварительно на контактную поверхность тест-образца 3 (фиг. 2) наносят используемую для контроля изделия контактирующую жидкость (минеральное масло, вода, гель, и др.). Добиваются максимума отраженного сигнала 6.
Работоспособность всего генераторно-приемного тракта дефектоскопа проверяется по наличию сигнала от отражающих в тест-образце поверхностей при установке на него ЭАП.
Проверка точки выхода луча наклонного ЭАП осуществляется известным способом при установке ЭАП на тест-образец (фиг. 1,а).
n
n
nТест
Проверка двойного времени в призме 2t для наклонных и прямых ЭАП (фиг. 1) может осуществляться после того как сначала настройка 2t выполнена по штатной мере. Если выполнить аналогичную настройку 2t по тест-образцу, то
n
n
nТест
Δ2t=2t-t≈0.
n
n
Если в процессе выполнения контроля ЭАП при периодической установке на тест-образец в положение максимума отраженного сигнала выясняется, что Δ2t≠0, то возможно осуществить корректировку величины 2t (в дефектоскопе это может быть выполнено автоматически). Корректировка осуществляется на величину
n
n
Δ2t=2t-(t-R/2c) - для наклонного ЭАП,
n
n
Δ2t=2t-(t-Н/2с) - для прямого ЭАП,
где:
t - двойное время пробега УЗ-колебаний при установке на Тест-образец прямого или наклонного ЭАП, мкс;
с - скорость продольной волны в материале тест-образца, мм/мкс;
R и Н- соответственно радиус поверхности или высота встроенного тест-образца, мм.
Проверка чувствительности дефектоскопа в процессе проведения контроля после того, как она была настроена с использованием штатных мер (настроечных образцов) и «привязана» к встроенному тест-образцу, осуществляется следующим образом.
Тест0
В первый момент усиление G в режиме «Тест» равно значению усиления G, полученному на этапе настройки чувствительности, и
Тест0
ΔG=G-G=0.
Тест1
После установки ЭАП на встроенный тест-образец отраженный от расположенного в нем отражателя (донная или радиальная поверхность) сигнал в общем случае может иметь различную амплитуду. Усиление дефектоскопа корректируют таким образом, чтобы вершина сигнала находилась на пороговом уровне дефектоскопа (в некоторых моделях дефектоскопа данная операция выполняется автоматически). Получившееся при этом значение усиления равно G, которое отличается от усиления G, при котором проводится контроль, на величину
Тест1
ΔG=G-G.
Данная величина ΔG позволяет привязать чувствительности (значения усиления), полученные при настройке дефектоскопа с использованием заданной меры (настроечного образца) и встроенного тест-образца.
Тест1
При проверке чувствительности с использованием тест-образца в процессе проведения контроля необходимо воспроизвести усиление, равное G (в дефектоскопе это может быть выполнено автоматически при входе в режим «Тест») и установить ЭАП на поверхность тест-образца. Тогда при благоприятных условиях вершина отраженного сигнала должна оказаться на пороговом уровне или незначительно отличаться от него (например, на ±1 дБ).
Предлагаемое техническое решение – УЗ-дефектоскоп со встроенным тест-образцом 2 (фиг. 3). Тест-образец представляет собой брус с гранью 6 (фиг. 1), частично параллельной рабочей поверхности 5, и радиальной поверхностью 7. Для снижения возможных переотражений УЗ-колебаний в торцевой грани тест-образца выполнена акустическая ловушка 3.
В качестве материала тест-образца используется термостабильный аналог органического стекла с затуханием УЗ-колебаний порядка 0,5-2,0 дБ/мм и скоростью продольной волны УЗ-колебаний 2500-2800 м/с, что позволяет изготовить тест-образец небольших размеров (по высоте 20-30 мм) и совместно с калиброванным усилителем (аттенюатором) дефектоскопа осуществлять проверку чувствительности дефектоскопа на различных частотах (не менее 1-10 МГц) во всем его динамическом диапазоне. При этом имеется временной зазор между зондирующим импульсом и отраженным сигналом в тест-образце. Термостабильные свойства материала обусловливают стабильность акустических свойств тест-образца в широком диапазоне температур.
Использование материала с низкой плотностью и малые размеры образца практически не сказываются на общей массе дефектоскопа, что в ряде случаев является критическим параметром. В тоже время, встроенный тест-образец позволит исключить использование при проведении контроля меры или НО значительных размеров и массы.
Для наклонного ЭАП используется радиальная (полукруглая, фокусирующая) поверхность, сигнал от которой имеет значительную амплитуду во всем диапазоне углов ввода (фиг. 1,а). В случае прямого ЭАП при проверке акустического тракта отраженным является донный сигнал от противоположной поверхности образца (фиг. 1,б).
Апробация заявляемого технического решения выполнена с использованием УЗ-дефектоскопа АВИКОН-20 (фиг. 3), в корпус 8 которого встроен тест-образец 2. В дефектоскопе имеется специальный режим для оперативного отображения сигналов от отражающих поверхностей в тест-образце. Тест-образец может быть выполнен, например, из Rexolite 1422, или других материалов, удовлетворяющих предъявляемым требованиям.
Таким образом, отличительные признаки полезной модели позволяют достигнуть заявляемый технический результат - повышение достоверности и технологичности контроля путем оперативной (периодической) проверки работоспособности УЗ-дефектоскопов и ряда параметров в процессе проведения контроля с использованием встроенного в корпус дефектоскопа тест-образца.
Полезная модель может быть реализована и дает ранее неизвестный в области техники положительный эффект.
Полезная модель относится к области неразрушающего акустического контроля и может быть использована для поиска с помощью них дефектов в разнообразных материалах и изделиях промышленности, например в сварных соединениях, в железнодорожных рельсах.
Источники информации:
1. ГОСТ Р 55724-2013. Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые.
2. ГОСТ 18576-85. Контроль неразрушающий. Рельсы железнодорожные. Методы ультразвуковые.
3. ГОСТ 17410-78. Контроль неразрушающий. Трубы металлические бесшовные цилиндрические. Методы ультразвуковой дефектоскопии.
4. Проспект фирмы TOKIMEC (Япония). Cat. N 895-1-J0601-1S-F.
5. Проспект фирмы США "PANAMETRICS" N Р393. Ultrasonic Transdusers for nondestructive testing, стр. 28 и 29 Calibration blocks. NDT Division, 221 Crescent Street Waltman, MA 02154 U.S.A. 4/93 г.
6. Проспект фирмы Krautkr mer Ger te - KATALOG. BL2/1(5/79).
7. Авторское свидетельство СССР N 1769116 A-1, E.M. Кутин, И.А. Одинцов, М.И. Ермолаев. Способ контроля работоспособности ультразвукового дефектоскопа. Опуб. 15.10.92, Б.И. N 38.
8. Неразрушающий контроль: Справочник / Под общ. Ред. В.В. Клюева. Т. 3 И.Н. Ермолов, Ю.В. Ланге. Ультразвуковой контроль. - М..: Машиностроение. 2008.
9. ГОСТ 23049-84. Контроль неразрушающий. Дефектоскопы ультразвуковые. Основные параметры и общие технические требования. М.: Гос. Комитет СССР по стандартам 1986 г.
10. Патент RU 2104519.
11. Патент RU 2052806.
12. Патент RU 2087908.