СКАНЕР ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ПРОТЯЖЕННЫХ СВАРНЫХ ШВОВ

Заявляемая полезная модель относится к конструктивным элементам устройств, использующихся для исследования или анализа материалов с помощью ультразвуковых (УЗ) волн, обеспечивающих акустический контакт электроакустических преобразователей (ЭАП) и контролируемого объекта. Заявляемый сканер может быть использован для обнаружения дефектов: объемных (поры, шлаковые включения), плоскостных (трещины, непровары, несплавления) и объемно-плоскостных (развивающиеся от объемных плоскостные дефекты, дефекты промежуточной формы) т.п. в протяженных сварных стыках листовых изделий, труб и т.п.
Контроль качества сварных соединений является важной проблемой во многих отраслях техники. Ультразвуковой контроль является наиболее информативным и безопасным способом неразрушающего контроля, который позволяет обнаруживать дефекты контролируемого объекта с наперед заданным качеством. Ультразвуковая дефектоскопия использует различные методы зондирования: эхо, зеркально-теневой и т.п. [1], стр. 51.
Для УЗ исследования всего объема контролируемого объекта или его сварного стыка обычно перемещают по нему ЭАП с выбранным шагом вручную. В частности, известен сканер для УЗ дефектоскопии листов [2], содержащий ЭАП, который перемещают по зигзагообразной траектории, обеспечивающей сканирование всего листа или сварного стыка, как по глубине, так и длине.
Недостаток такого сканера является высокая трудоемкость и низкая производительность контроля.
Известна установка автоматизированного УЗ контроля сварных швов [3] «УМКа» серии «СКАНЕР», содержащая многоканальный УЗ дефектоскоп и сканер для ультразвукового контроля протяженного сварного шва [4], стр. 8, содержащий несколько электроакустических преобразователей, со схемами прозвучивания, [4] стр. 11, обеспечивающими обнаружение дефектов по всему сечению сварного шва с заданным качеством в неподвижном положении ЭАП, с возможностью их параллельного перемещения скольжением вдоль сварного шва по поверхности контролируемого объекта. При УЗ диагностике сварных швов труб перемещение такого сканера, в некоторых вариантах реализации, осуществляется по перфорированному бандажу, установленному на трубу.
Недостатками сканера [4] являются невысокие функциональные и эксплуатационные характеристики. Сравнительно небольшое число ЭАП предполагает УЗ зондирование преимущественно поперек сварного шва, что не позволяет обнаруживать дефекты, например, с ориентацией коллинеарной направлениям зондирования. Перемещение ЭАП непосредственно по поверхности контролируемого объекта приводит к быстрому износу ЭАП и трудностям обеспечения их акустического контакта с объектом.
Для обеспечения акустического контакта ЭАП с контролируемым объектом обычно используют смачивание поверхностей контакта жидкостями или гелями, что создает проблемы с их хранением и подводом, а также стоимостью этих расходных материалов.
Известно устройство контроля металлургической продукции [5], в котором акустический контакт обеспечивается воздушной подушкой - паровоздушной смесью между ЭАП и поверхностью контролируемого объекта, что непросто реализовать, например, в полевых условиях.
При дефектоскопии железнодорожных рельсов широко применяются сканеры в виде [6] упругих колес, наполненных акустической жидкостью, внутри которых устанавливают ЭАП. Такие колеса имеют хороший контакт с негладкой поверхностью рельса и практически не имеют износа ЭАП из-за трения. Известны сканеры [7], у которых имеется несколько независимых упругих колес с ЭАП, работающих по отдельности. Известны сканеры [8], в которых ЭАП, расположенные в двух разных упругих колесах, обмениваются зондирующими УЗ сигналами, проходящими через контролируемый объект. Известен сканер для контроля сварных стыков рельсов [9], в котором используется множество взаимодействующих ЭАП, расположенных на разных плоскостях рельса и в разных упругих колесах.
Сканеры [6-9] предназначены для дефектоскопии сложного контролируемого объекта - рельса. В этом случае ЭАП направлены и перемещаются преимущественно вдоль рельса и поперек сварного стыка. Такие устройства малопригодны для УЗ контроля протяженных сварных швов листовых соединений и труб.
Авторам неизвестны устройства, использующие акустические колеса при дефектоскопии протяженных сварных швов.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является ультразвуковой восьмиканальный дефектоскоп УСД-60-8К [10], содержащий дефектоскоп и сканеры, установленные на тележке [11], содержащей ЭАП со схемами прозвучивания, обеспечивающими обнаружение дефектов по всему сечению сварного шва с заданным качеством в неподвижном положении тележки. Тележка снабжена колесами с возможностью ее перемещения вдоль сварного шва качением колес по поверхности контролируемого объекта. Многоканальный УЗ дефектоскоп обеспечивает возможность подключения соответствующего количества ЭАП, которые располагаются на поверхности контролируемого объекта с разных сторон (в плане) сварного шва. Магнитные колеса тележки обеспечивают прижатие сканера к металлической поверхности, а пружины - контакт ЭАП с поверхностью контролируемого объекта.
Недостатками сканера [10] являются низкие функциональные и эксплуатационные характеристики. Первый недостаток связан с тем, что сравнительно небольшое число ЭАП предполагает УЗ зондирование преимущественно поперек сварного шва, что позволяет обнаруживать только дефекты, ориентированные вдоль шва (параллельные сварному шву). Магнитные колеса позволяют работать только с контролируемыми объектами, обладающими магнитными свойствами. Перемещение ЭАП непосредственно по поверхности контролируемого объекта приводит к трудности обеспечения акустического контакта ЭАП с ней и быстрому износу ЭАП. Эти проблемы тем более остры в окрестности сварного шва, где поверхность контролируемого объекта трудно очистить от пыли, грязи, окалины, брызг металла, заусенцев, забоин от шлака, брызг металла и т.п.
Задачей, решаемой заявляемой полезной моделью, является повышение качества УЗ контроля за счет использования произвольных схем прозвучивания, обеспечения надежного акустического контакта ЭАП с контролируемым объектом.
Для решения этой задачи в сканере для ультразвукового контроля протяженных сварных швов, содержащем тележку с электроакустическими преобразователями, со схемами прозвучивания, обеспечивающими обнаружение дефектов по всему сечению сварного шва с заданным качеством в неподвижном положении тележки, которая снабжена колесами с возможностью ее перемещения вдоль сварного шва качением колес по поверхности контролируемого объекта, по крайней мере, одно колесо выполнено в виде емкости с упругой оболочкой, наполненной акустической жидкостью, а электроакустические преобразователи закреплены внутри колеса на оси его вращения и направлены на пятно контакта упругой оболочки колеса с поверхностью контролируемого объекта, количество таких колес выбирается, исходя из выбранных схем прозвучивания сварного шва.
Существенными отличиями, заявляемой полезной модели по сравнению с прототипом являются:
Использование акустических колес, выполненных в виде емкости с упругой оболочкой, наполненной акустической жидкостью, а электроакустические преобразователи закреплены внутри колеса на оси его вращения и направлены на пятно контакта упругой оболочки колеса с поверхностью контролируемого объекта, позволяющих обеспечить надежный акустический контакт ЭАП с контролируемым объектом, что повышает достоверность УЗ дефектоскопии. Указанное свойство особенно актуально в неблагоприятных условиях измерений. Практическое отсутствие фрикционного износа ЭАП приводит к существенному снижению стоимости измерений и повышению производительности работ. В реальных условиях замена контактных ЭАП из-за износа производится не менее одного раза за смену, с необходимостью выполнения соответствующих калибровочных мероприятий.
В прототипе ЭАП скользят по поверхности контролируемого объекта, что не гарантирует надежность акустического контакта, приводит к нежелательным материальным и временным затратам на смену ЭАП, требует специальных мероприятий по обеспечению акустического контакта между ЭАП и контролируемым объектом и контролю за ним.
Возможность выбора количества акустических колес, исходя из выбранных схем прозвучивания электроакустических преобразователей, позволяет использовать сложные схемы прозвучивания со множеством приемно-излучающих ЭАП, направленных, в том числе, по диагоналям сварного шва, а за счет этого обнаруживать дефекты разной пространственной ориентации.
Заявляемую полезную модель иллюстрируют следующие графические материалы:
Фиг. 1 - Внешний вид сканера с четырьмя УЗ колесами, где:
1. Контролируемый объект;
2. Сварной шов;
3. Ось вращения;
4. УЗ колесо.
Фиг. 2 - Схемы прозвучивания сварного шва в поперечном сечении,
где:
5. ЭАП;
Фиг. 3 - Схема прозвучивания сварного шва с четырьмя УЗ колесами в плоскости контролируемого объекта;
Фиг. 4 - Схема сканера с многоканальным УЗ дефектоскопом,
где:
6. Коммутатор;
7. Генератор УЗ сигналов;
8. Приемник УЗ сигналов;
9. Компьютер;
10. Пульт управления;
11. Монитор.
Рассмотрим работу заявляемой полезной модели.
Перед началом УЗ дефектоскопии контролируемого объекта выбирают схемы прозвучивания. Основаниями для их выбора являются минимальный размер дефектов, подлежащих обнаружению, толщина контролируемого объекта 1, ширина шва 2, ориентация дефектов подлежащих обнаружению. В зависимости от этих параметров выбирают углы ввода (приема) УЗ колебаний ЭАП 5 в сварной шов. Определяют требуемое количество ЭАП 5. Распределяют ЭАП 5 по акустическим колесам 4 с учетом соответствующих преломлений. При этом выбирают расстояние между УЗ колесами 4, как по длине, так и по ширине сварного шва 2контролируемого объекта 1.
На Фиг. 2, 3 приведены различные схемы УЗ прозвучивания. Схемы изображены без учета преломлений УЗ сигналов между ЭАП 5 и жидкостью, жидкостью и эластичной мембраной и между последней и контролируемым объектом 1. На Фиг условно в каждом УЗ колесе 4 показан один ЭАП 5. На практике количество ЭАП 5 в каждом колесе может быть от 1 до 14 шт. в зависимости от требуемых схем прозвучивания для конкретного сварного соединения.
Схема прозвучивания, Фиг. 2, а) предполагает использование одного УЗ колеса, в котором ЭАП 5 могут работать только эхо методом обнаружения дефектов, переключаясь с излучения на прием УЗ сигналов. Способность обнаружения дефекта в этом случае зависит от его ориентации, т.е. в идеальном варианте обнаруживаются дефекты перпендикулярные линии зондирования. В данном случае обнаруживающая способность устройства для дефектов иной ориентации не высокая. Для обнаружения дефектов по всему сечению сварного шва 2 требуется несколько аналогичных ЭАП 5, с параллельными линиями зондирования, например, распределенных по всей ширине сварного шва с требуемым разрешением. Эти линии зондирования на Фиг. 2 a) показаны пунктиром. Такой прием может быть применен во всех последующих схемах зондирования.
Схема прозвучивания, Фиг. 2, b) предполагает использование двух УЗ колес 4, расположенных с разных в плане сторон сварного шва 2, с использованием эхо и зеркального - теневого методов обнаружения. Последний метод повышает достоверность обнаружения дефектов, поскольку не требует отражения зондирующего сигнала от дефекта произвольной ориентации. В этом случае один из ЭАП 5 излучает зондирующий сигнал и переключается с излучения на прием, а второй работает только на прием. Таким образом, сигналы на первом и (или) втором ЭАП 5 позволяют судить о наличии или отсутствии дефекта. Отметим, что в этом случае используется отражение УЗ зондирующих сигналов от противоположной поверхности объекта 1.
Схема прозвучивания, Фиг. 2, c) предполагает использование двух УЗ колес 4, расположенных с разных сторон контролируемого объекта 1. При этом используются эхо и теневой методы обнаружения. Такое расположение ЭАП 5 требует одновременного их перемещения, что затруднительно в полевых условиях, но может использоваться, когда тележка неподвижна, а контролируемый объект 1 перемещается относительно нее. В этом случае применяется теневой и эхо методы обнаружения дефектов.
Схема прозвучивания Фиг. 2, d) предполагает использование четырех УЗ колес, расположенных с разных сторон контролируемого объекта 1 с сочетанием различных методов зондирования, описанных выше.
Схема прозвучивания, Фиг. 3, показывает, что ЭАП могут располагаться в плоскости контролируемого объекта 1 по диагонали от сварного шва 2, обеспечивая обнаружение дефектов разной ориентации.
Таким образом, при обнаружении дефектов могут использоваться разные схемы прозвучивания, число которых не ограничивается приведенными примерами. Использование при вводе ультразвуковых колебаний колес с упругой оболочкой позволяет реализовывать большие скорости сканирования сварного шва, чем системы, основанные на скольжении ЭАП по околошовной зоне. Размещение внутри УЗ колес 4 необходимого количества ЭАП 5 позволяет во многих случаях (например, при контроле стыковых сварных швов с толщинами соединяемых листов 14-18 мм) озвучивать все сечение сварного шва за один-два прохода колеса 4 вдоль шва 2, что многократно (до 10 раз!) повышает производительность контроля по сравнению с традиционными способами (поперечно-продольное сканирование) сканирования.
Общими свойствами для приведенных схем зондирования являются возможности:
- переключения любого ЭАП 5 с излучения на прием или работы в совмещенном режиме;
- выбора произвольного количества ЭАП 5 для обеспечения требуемого разрешения обнаружения дефектов по перечному сечению сварного шва 2;
- использование отражений от внутренних поверхностей контролируемого объекта 1 для зондирования;
- выбора разных углов ввода УЗ колебаний по отношению к направлению перемещения тележки;
- обеспечения заданной точности обнаружения дефектов по длине сварного шва 2 путем выбора шага перемещения тележки.
После выбора схем зондирования ЭАП 5 подключаются к многоканальному дефектоскопу, Фиг. 4, который содержит коммутатор 6, который подключает выбранные ЭАП 5 к генератору УЗ сигналов 7 или к приемнику УЗ сигналов 8. Компьютер 9, снабженный пультом управления 10 и монитором 11 определяет последовательность и частоту зондирований, а также переключает ЭАП 5 с излучения на прием, хранит и отображает результаты зондирований.
Таким образом, заявляемая полезная модель обеспечивает произвольную ориентацию линий зондирования и надежный акустический контакт ЭАП 5 с контролируемым объектом, уменьшает износ ЭАП 5 и за счет этого улучшает качество УЗ дефектоскопии. Существенным достоинством заявляемой полезной модели является повышение производительности труда при дефектоскопии сварных швов контролируемых объектов.
Источники информации:
1. Марков Α.Α., Шпагин Д.А. Ультразвуковая дефектоскопия рельсов. 2-е изд. - СПб., Образование - Культура, 2008. 283 с.
2. Патент RU 2376596.
3. http://www.ndtprom.ru/product/umka.html.
4. Руководство по эксплуатации СКАН2.00.00.000.РЭ
http://ndtprom.ru/download/skaruch.pdf.
5. Патент RU 2476872.
6. Патент US 4165648.
7. Патент US 4487071.
8. Патент US 6604421.
9. Заявка RU 139458.
10. http://impuls-ndt.ru/tfpdf/ex.php?id=759.
11. http://www.aka-scan.ru/USD-60-8K-WeldSpector.htm.