ЭХОЛОКАЦИОННЫЙ МЕТОД УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЯ ПО ВСЕМУ СЕЧЕНИЮ
ECHOSCOPIC METHOD FOR ULTRASONIC QUALITY CONTROL OF THE PRODUCT ACROSS THE ENTIRE SECTION

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов и может быть использовано как при ультразвуковой дефектоскопии рельсов, так и в других отраслях.
Вследствие динамического воздействия колес подвижного состава на железнодорожные рельсы, отступления от технологии производства рельсов, недостаточно высокого металлургического качества рельсовой стали, нарушения требований инструкций по текущему содержанию пути, технологии обработки торцов и болтовых и штепсельных отверстий рельсов, механических воздействий на рельс (удар инструментов, рельс о рельс и т.п.), недостатков и нарушений технологии сварки рельсов и обработки сварных стыков рельса, недостатков и нарушений технологии закалки рельсов, недостатков и нарушений технологии наплавки рельсов или приварки рельсовых соединителей, коррозией рельса и других причин рельс по всему его сечению испытывает максимальные нагрузки. В связи с этим в рельсе по всему его сечению возникают большое количество разнообразных дефектов, предусмотренных НТД/ЦП-1-93 «Классификация дефектов рельсов» (МПС РФ. Издательство «Транспорт». Москва, 1993 год).
Для своевременного выявления указанных в НТД/ЦП-1-93 дефектов применяются следующие методы ультразвукового контроля рельсов. Эхо-метод ультразвукового контроля, основывающийся на излучении в контролируемое изделие коротких зондирующих импульсов и регистрации эхо-сигнала, отраженного от дефекта пьезоэлектрическим преобразователем, работающим в совмещенном режиме излучения-приема ультразвуковых колебаний, с поверхности катания головки рельса. Признаком обнаружения дефекта является появление эхо-сигнала, отраженного от поверхности дефекта (рисунок 1). Теневой метод ультразвукового контроля, основывающийся на излучении в контролируемое изделие коротких зондирующих импульсов с поверхности катания головки рельса и регистрации эхо-сигнала на противоположной (параллельной) поверхности, поверхности ввода ультразвуковых колебаний. Для реализации теневого метода ультразвукового контроля применяются прямой пьезоэлектрический преобразователь, работающий в раздельном режиме излучения-приема ультразвуковых колебаний. Признаком обнаружения дефекта служит ослабление амплитуды сигнала (рисунок 2). Зеркально-теневой метод ультразвукового контроля основывается на излучении в контролируемое изделие коротких зондирующих импульсов и регистрации эхо-сигнала, отраженного от противоположной (параллельной) поверхности, поверхности ввода ультразвуковых колебаний. Для реализации зеркально-теневого метода ультразвукового контроля применяется прямой пьезоэлектрический преобразователь, работающий в раздельном, раздельно-совмещенном, совмещенном режимах излучения-приема ультразвуковых колебаний. Признаком обнаружения дефекта служит ослабление амплитуды сигнала, отраженного от противоположной (параллельной) поверхности, поверхности ввода ультразвуковых колебаний (рисунок 3). Зеркальный метод ультразвукового контроля основывается на излучении в контролируемое изделие коротких зондирующих импульсов и регистрации эхо-сигнала, зеркально отраженного от поверхности дефекта, имеющего зеркальную поверхность, который, в свою очередь, также зеркально отражен от противоположной (параллельной) поверхности, имеющей зеркальную поверхность, поверхности ввода ультразвуковых колебаний. Для реализации зеркального метода ультразвукового контроля применяются наклонные пьезоэлектрические преобразователи, работающие в раздельном режиме излучения-приема ультразвуковых колебаний на определенном расстоянии друг от друга. Расстояние между двумя пьезоэлектрическими преобразователями выбирают исходя из условий наилучшего озвучивания зоны вероятного образования дефекта. Зеркальный метод ультразвукового контроля реализуется только в случае, если все поверхности, от которых отражаются ультразвуковые колебания, имеют зеркальную поверхность. Признаком обнаружения дефекта является регистрация эхо-сигнала пьезоэлектрическим преобразователем, работающим в режиме приема (рисунок 4). Эхо-зеркальный метод ультразвукового контроля основывается на излучении в контролируемое изделие коротких зондирующих импульсов наклонным пьезоэлектрическим преобразователем, работающим как в раздельном, так и в раздельно-совмещенном режимах излучения-приема ультразвуковых колебаний, имеющим две пьезоэлектрические пластины, развернутые относительно продольной оси рельса под одинаковыми углами разворота ультразвукового луча на обе грани головки рельса и с одинаковыми углами ввода ультразвукового луча в одном направлении по ходу движения пьезоэлектрического преобразователя, и регистрации эхо-сигнала трижды зеркально отраженного от стандартного отражателя (стандартными отражателями называются какие-либо поверхности на рельсе, являющиеся конструктивной особенностью геометрии рельса в процессе его изготовления - поверхность катания головки рельса, подголовочные грани головки рельса, сопряжение головки рельса с шейкой, сопряжение шейки с подошвой, подошва и поверхности, изготовленные в процессе подготовки рельса к эксплуатации в пути в соответствии с требованием стандартов - торец, болтовое и штепсельное отверстие) одной подголовочной грани головки рельса, нестандартного отражателя (дефекта) и стандартного отражателя - другой подголовочной грани головки рельса. Движение ультразвукового луча по своей траектории образует фигуру «ромб» - к одной из подголовочной грани головки рельса, от нее к поверхности дефекта, от поверхности дефекта к другой подголовочной грани головки рельса и затем к пьезоэлектрической пластине, являющейся приемником в том же пьезоэлектрическом преобразователе.
Эхо-зеркальный метод ультразвукового контроля реализуется только в случае, если все поверхности, от которых отражаются ультразвуковые колебания, имеют зеркальную поверхность. Признаком обнаружения дефекта является регистрация эхо-сигнала пьезоэлектрической пластиной, работающей в режиме приема (рисунок 5). Дельта-метод ультразвукового контроля основывается на излучении в контролируемое изделие коротких зондирующих импульсов и регистрации эхо-сигнала, отраженного явлением дифракции от дефекта на поверхность катания головки рельса. Для реализации дельта-метода ультразвукового контроля применяются наклонный пьезоэлектрический преобразователь и прямой пьезоэлектрический преобразователь, работающие в раздельном режиме излучения-приема ультразвуковых колебаний на определенном расстоянии друг от друга. Расстояние между двумя пьезоэлектрическими преобразователями выбирают исходя из условий наилучшего озвучивания зоны вероятного образования дефекта. Признаком обнаружения дефекта является регистрация эхо-сигнала пьезоэлектрическим преобразователем, работающим в режиме приема (рисунок 6).
Эхо-метод ультразвукового контроля, зеркально-теневой метод ультразвукового контроля, теневой метод ультразвукового контроля, зеркальный метод ультразвукового контроля, эхо-зеркальный метод ультразвукового контроля, дельта-метод ультразвукового контроля основаны на посылке в контролируемое изделие коротких зондирующих импульсов, излучаемых пьезоэлектрической пластиной с углами ввода ультразвуковых колебаний от 0, 38, 40, 41, 42, 45, 49, 50, 55, 58, 60, 65, 70 градусов и углами разворота пьезоэлектрической пластины относительно продольной оси рельса 34, 10, 12 градусов и приеме эхо-сигналов, отраженных либо от стандартных отражателей и нестандартных отражателей (дефектов), строго по определенной траектории хода движения акустического луча с помощью той же пьезоэлектрической пластины, установленной в пьезоэлектрическом преобразователе, работающем в совмещенном режиме излучения-приема ультразвуковых колебаний (эхо-метод ультразвукового контроля), или с помощью пьезоэлектрической пластины, работающей на прием эхо-сигнала, установленной в пьезоэлектрическом преобразователе, работающем в раздельном режиме излучения-приема ультразвуковых колебаний на прием эхо-сигнала (зеркальный метод ультразвукового контроля, дельта-метод ультразвукового контроля, зеркально-теневой метод ультразвукового контроля, теневой метод ультразвукового контроля) или в пьезоэлектрическом преобразователе, работающем в совмещенном режиме излучения-приема ультразвуковых колебаний (эхо-зеркальный метод ультразвукового контроля) с теми же углами ввода ультразвуковых колебаний, установленном строго на определенном расстоянии исходя из условий наилучшего озвучивания зоны вероятного образования дефекта и на продольной оси рельса, на поверхности контролируемого изделия или противоположной поверхности относительно пьезоэлектрической пластины, излучающей ультразвуковые колебания, установленной в пьезоэлектрический преобразователь, для выявления дефектов определенного кода, предусмотренных НТД/ЦП-1-93 «Классификация дефектов рельсов», МПС РФ, Издательство «Транспорт», Москва, 1993 год.
Эхо-локационный метод ультразвукового контроля рельса основан на посылке в контролируемое изделие коротких зондирующих импульсов пьезоэлектрической пластиной (рисунок 7), работающей в совмещенном режиме излучения-приема ультразвуковых колебаний, и регистрации эхо-сигналов этой же пьезоэлектрической пластиной и множеством пьезоэлектрических пластин, работающих в раздельных режимах излучения-приема ультразвуковых колебаний, реализующих поочередное изменение совмещенного и раздельного режимов излучения-приема пьезоэлектрической пластины (рисунок 8). Признаком обнаружения дефекта является регистрация эхо-сигнала пьезоэлектрическими пластинами, работающими как в совмещенном режиме излучения-приема ультразвуковых колебаний, так и в раздельном режиме излучения-приема ультразвуковых колебаний. Результат достигается за счет того, что на поверхность катания головки рельса, на его продольную ось устанавливают блок резонаторов с пьезоэлектрическими пластинами, работающими в совмещенном и раздельном режимах излучения-приема ультразвуковых колебаний с различными углами ввода ультразвуковых колебаний, ультразвуковые лучи которых направлены в одном направлении с направлением движения этого блока резонаторов, при этом одна из пьезоэлектрических пластин этого блока резонаторов работает в совмещенном режиме излучения-приема ультразвуковых колебаний, а остальные пьезоэлектрические пластины работают в раздельном режиме излучения-приема ультразвуковых колебаний, причем пьезоэлектрическая пластина, работающая в совмещенном режиме излучения-приема ультразвуковых колебаний, является излучателем ультразвуковых колебаний для всех пьезоэлектрических пластин, работающих в раздельном режиме излучения-приема ультразвуковых колебаний на прием эхо-сигнала. Впереди блока резонаторов с пьезоэлектрическими пластинами, работающими в совмещенном и раздельном режимах излучения-приема ультразвуковых колебаний на поверхность катания головки рельса, на продольную ось рельса устанавливают другой блок резонаторов с пьезоэлектрическими пластинами, работающими в раздельном режиме излучения-приема ультразвуковых колебаний, работающих на прием эхо-сигнала также с различными углами приема ультразвуковых колебаний, ультразвуковые лучи которых направлены также в одном направлении, но в противоположную сторону движения блока резонаторов с пьезоэлектрическими пластинами, работающими в совмещенном и раздельном режимах излучения-приема ультразвуковых колебаний. По завершении цикла ультразвуковых колебаний происходит поочередное изменение режимов работы пьезоэлектрических пластин в блоке резонаторов с пьезоэлектрическими пластинами, работающими в совмещенном и раздельном режимах излучения-приема ультразвуковых колебаний. Цикл ультразвукового колебания - это промежуток времени от момента ввода ультразвуковых колебаний пьезоэлектрической пластиной с определенным углом ввода ультразвуковых колебаний и углом разворота пьезоэлектрической пластины относительно продольной оси рельса в контролируемое изделие до момента приема эхо-сигнала множеством пьезоэлектрических пластин с различными углами приема эхо-сигнала и углами разворота пьезоэлектрических пластин относительно продольной оси рельса. При этом количество и место расположения пьезоэлектрических пластин, работающих в раздельном режиме излучения-приема ультразвуковых колебаний в качестве приемника эхо-сигнала по отношению к пьезоэлектрической пластине, работающей в совмещенном режиме излучения-приема ультразвуковых колебаний, не ограничено. Данная способность может быть ограничена только техническими причинами - отсутствием специального оборудования. Вследствие явления рассеивания распространение ультразвуковых колебаний в рельсе от точки раздела границы двух сред, в том числе и от стандартных отражателей, происходит в радиусе 360 градусов во всех координатных плоскостях. Способность пьезоэлектрических пластин, принимающих ультразвуковые колебания, принимать эхо-сигналы вне зависимости от строго определенной направленности распространения ультразвуковых колебаний прямо пропорциональна к регистрации эхо-сигналов от любых отражателей, вне зависимости от их ориентации, конфигурации и размеров, находящихся в контролируемом изделии, что является основополагающим элементом эхо-локационного метода ультразвукового контроля и, как следствие, позволяет регистрировать эхо-сигналы от стандартных отражателей и нестандартных отражателей, дефектов, находящихся в контролируемом изделии и, в частности, в рельсе по всему сечению в соответствии НТД/ЦП-1-93 «Классификация дефектов рельсов», МПС РФ, Издательство «Транспорт», Москва, 1993 год, за исключением в перьях подошвы рельса, если ввод ультразвуковых колебаний и прием эхо-сигналов осуществляется с поверхности катания головки рельса.
В качестве показателя эффективной работоспособности эхо-локационного метода ультразвукового контроля составлена сравнительная таблица выявления искусственно изготовленных дефектов в рельсе по коду 21.1 (рисунок 10), 30 г.1 (рисунок 11), 52.1 (рисунок 12), 53.1 (рисунок 13), 55.1 (рисунок 14), 69 (рисунок 15) согласно НТД/ЦП-1-93 «Классификация дефектов рельсов», МПС РФ, Издательство «Транспорт», Москва, 1993 год и регистрации эхо-сигналов от бездефектного конца рельса с болтовыми отверстиями (рисунок 9).
Сравнительная таблица №1
обнаружения искусственно изготовленных дефектов эхо-методом ультразвукового контроля и эхо-локационным методом ультразвукового контроля вдоль продольной оси рельса и по всему сечению рельса.
Код дефекта
эхо-метод ультразвукового контроля ПЭП40 градусов
эхо-метод ультразвукового контроля ПЭП42 градусов
эхо-метод ультразвукового контроля ПЭП45 градусов
эхо-локационный метод ультразвукового контроля ПЭП 40, 45, 55, 58, 70 градусов
Рисунок 10.1. код дефекта 21.1: Х - 75.0 мм, L - 2.0 мм, H1 - 3.0 мм, H2 - 0.0 мм, H - 3.0 мм, угол 7 градусов.
-
-
-
+
Рисунок 10.2. код дефекта 21.1: Х - 30.0 мм, L - 5.0 мм, H1 - 6.0 мм, H2 - 0.0 мм, условная Н - 6.0 мм, угол 0 градусов, пропил R - 50 мм.
-
-
-
+
Рисунок 10.3. код дефекта 21.1: X - 75.0 мм, L - 14.0 мм, H1 - 17.0 мм, H2 - 0.0 мм, условная Н - 17.0 мм, угол 45 градусов.
-
-
-
+
Рисунок 10.4. код дефекта 21.1: X - 60.0 мм, L - 8.0 мм, H1 - 12.0 мм, Н2 - 0.0 мм, условная H - 12.0 мм, угол 15 градусов.
-
-
-
+
Рисунок 11 код дефекта 30г.1: X - 30.0 мм, L - 150.0 мм, H1 - 17 мм, H2 - 27 мм, условная Н - 10 мм, угол 5 градусов. Пропил вглубь R - 50 мм.
-
-
-
+
Рисунок 12 код дефекта 52.1: Х - 12.0 мм. L - 10.0 мм, H1 - 42.0 мм, Н2 - 40.0 мм, условная Н - 2.0 мм, угол 0 градусов.
+
+
+
+
Рисунок 13.1 код дефекта 53.1: Х - 4.5 мм, L - 16.0 мм, H1 - 72 мм, Н2 - 82 мм, условная Н - 10 мм, угол 28 градусов (вверх «на 1 час»).
-
-
-
+
Рисунок 13.2 код дефекта 53.1: Х - 6.0 мм, L - 18.0 мм, H1 - 115 мм, H2 - 107 мм, условная Н - 8 мм, угол 60 градусов (вниз «на 4 часа»).
-
-
-
+
Рисунок 13.3 код дефекта 53.1: Х - 4.0 мм, L - 14.0 мм, H1 - 109 мм, Н2 - 114.0 мм, условная Н - 5.0 мм, угол 50 градусов (вниз «на 7 часов»).
+
+
+
+
Рисунок 13.4 код дефекта 53.1: Х - 4.0 мм, L - 12.0 мм, H1 - 84.0 мм, Н2 - 70.0 мм, условная Н - 14.0 мм, угол 25 градусов (вверх «на 1 час»).
+
+
+
+
Рисунок 14.1 код дефекта 55.1: Х - 6.0 мм, L - 55.0 мм, H1 - 62.0 мм, Н2 - 60.0 мм, условная Н - 2.0 мм, угол 0 градусов.
-
-
-
+
Рисунок 14.2 код дефекта 55.1: X - 8.0 мм, L - 35.0 мм, H1 - 114 мм, Н2 - 72 мм, условная Н - 42 мм, угол 35 градусов.
-
+
-
+
Рисунок 15 код дефекта 69.1: Х - 45.0 мм. L - 4.0 мм, H1 - 180.0 мм, Н2 - 176.0 мм, условная Н - 4.0 мм, угол 0 градусов.
+
+
+
+
Выявляемость дефектов в %
30.77%
38.46%
30.77%
100%
Эхо-локационный метод ультразвукового контроля основан на посылке в контролируемое изделие коротких зондирующих импульсов, излучаемых пьезоэлектрическими пластинами, чередующими работу в совмещенном и раздельном режимах излучения-приема ультразвуковых колебаний по окончании циклов ультразвуковых колебаний с различными углами ввода ультразвуковых колебаний от 0 до 90 градусов, углами разворота пьезоэлектрической пластины относительно продольной оси рельса от 0 до 90 градусов, и приеме эхо-сигналов, отраженных от стандартных отражателей и нестандартных отражателей (дефектов), множеством пьезоэлектрических пластин с различными углами приема эхо-сигналов от 0 до 90 градусов и углами разворота пьезоэлектрической пластины относительно продольной оси рельса от 0 до 90 градусов, чередующих работу в совмещенном и раздельном режимах излучения-приема ультразвуковых колебаний по окончании цикла ультразвуковых колебаний, размещенных в независимости от расстояния и места на поверхности контролируемого изделия относительно пьезоэлектрической пластины, излучающей ультразвуковые колебания, с последующим изменением режимов работы пьезоэлектрических пластин при завершении цикла ультразвуковых колебаний, для регистрации эхо-сигнала от любых отражателей, вне зависимости от их ориентации, конфигурации и размеров, находящихся в контролируемом изделии, и приведении зарегистрированных эхо-сигналов всех циклов ультразвуковых колебаний в единое информационное поле.
Эхо-локационный метод ультразвукового контроля позволяет следующее.
1. Осуществлять постоянный контроль за качеством работы каждой пьезоэлектрической пластины как в зоне болтового стыка, так и вне зоны болтового стыка.
2. Контролировать «мертвую» зону пьезоэлектрическими преобразователями, работающими только на прием эхо-сигналов, и осуществлять контроль от поверхности контролируемого изделия.
3. Принимать эхо-сигналы от стандартных и нестандартных отражателей, находящихся в контролируемом изделии с различной ориентацией, конфигурацией и размерами, способных отражать эхо-сигнал в место установки пьезоэлектрических преобразователей, принимающих эхо-сигналы.
4. Осуществлять прием дублированных эхо-сигналов от стандартных и нестандартных отражателей, полученных от одной и той же точки в сечении контролируемого изделия различными углами приема эхо-сигналов и по всей площади контролируемого изделия.
5. Сложить дублированные эхо-сигналы, принятые от разных зон отражателя, в единое сечение отображения информации.
6. Позволяет увеличить информативность за счет увеличения количества пьезоэлектрических преобразователей, работающих в режиме излучения и приема.
7. Подойти к созданию автоматической расшифровки полученной информации и созданию отображения как стандартных, так и нестандартных отражателей в трехмерном измерении.
8. Выявлять дефекты в контролируемом изделии, в разных стадиях его развития, от его начальных размеров до критических размеров.
9. Прогнозировать развитие дефекта.
10. Отображать принятые эхо-сигналы в виде новой информации, ранее не применяемой при реализации другими методами.
11. Применять эхо-локационный метод ультразвукового контроля в различных отраслях народного хозяйства.