Исследование возможности ультразвукового контроля узла крепления рулевых винтов вертолетов типа Ми-8 с использованием визуализации эхо-сигналов TOFD методом

УДК 534(03)У51

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ УЗЛА КРЕПЛЕНИЯ РУЛЕВЫХ ВИНТОВ ВЕРТОЛЕТОВ ТИПА МИ-8 С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ЭХО-СИГНАЛОВ TOFD

МЕТОДОМ

Д.В. АМПЛЕЕВ, Ю.А. МИКОЛАЙЧУК

Статья представлена доктором технических наук, профессором Коняевым Е.А.

Рассмотрены вопросы возможности обнаружения трещин в узлах крепления рулевых винтов вертолетов типа Ми-8 с использованием визуализации эхо-сигналов TOFD методом.

Ключевые слова: неразрушающий контроль, дифракционно-временной метод (ДВМ), ультразвуковой метод.

В настоящее время перед методами неразрушающего контроля (НК), включая ультразвуковой контроль (УЗК), все чаще ставятся задачи не только дефектоскопии - обнаружения дефектов, но и задача дефектометрии - определение размеров, типа, формы дефектов. Необходимым импульсом, стимулирующим развитие НК, явился вопрос - для чего нужен такой переход и что он дает?

Переход от дефектоскопии к дефектометрии означает принципиальную смену эпохи. До недавнего времени в неразрушающем контроле основной задачей являлось обнаружение в контролируемом объекте несплошности относительно больших размеров, которые непосредственно влияют на прочность объектов.

С развитием техники в НК появились методы, позволяющие выйти на новый уровень в определении размеров дефектов с высокой достоверностью результатов. Таким методом является так называемый "дифракционно-временной метод" (ДВМ) или по зарубежной классификации -“ Time of Flight Difraction - TOFD” метод.

В 90-е годы для определения размеров дефектов - трещин, непроваров, предложен ультразвуковой дифракционно-временной метод контроля - ДВМ (Time of Flight Diffraction - TOFD метод). За рубежом этому методу УЗ контроля в последние годы уделяется большое внимание, особенно при контроле сварных швов и механических испытаниях. Так на 15-й международной конференции по НМК (Рим, октябрь 2000 г.) этому методу было посвящено специальное заседание одной секции. В 1993 г. разработан Британский стандарт на TOFD метод (Guided to Calibration and Setting of Ultrasonic Time of Flight Diffraction (TOFD) technique for Detection, Location and Sizing of Flaws. BS 7706: 1993). Цель разработки стандарта - способствовать широкому распространению этого относительно нового метода неразрушающего контроля в промышленности.

Метод основан на приеме волн, рассеянных (дифрагированных) на концах плоскостного дефекта - трещины или непровара. Данный метод позволяет измерять размеры трещин, что важно для оценки его влияния на прочностные свойства конструкций. Необходимо иметь в виду, что величина амплитуды эхо-сигнала не используется в этом методе при измерении размеров дефектов, все измерения выполняются по времени распространения дифрагированных сигналов.

Амплитуда эхо-сигнала используется в ДВМ только в связи с решением нескольких частных задач:

а) когда импульсы от дефектов плохо различимы на фоне локальных шумов, например, структурных помех;

б) когда относительные амплитуды эхо-сигналов от верхнего и нижнего концов дефекта могут дать важную информацию о характере дефекта.

Отметим, что оборудование, необходимое для контроля ДВМ, должно удовлетворять некоторым специальным требованиям.

1. Дефектоскоп и система регистрации результатов в ДВМ методе

В большинстве случаев в ДВМ методе используются системы цифровой автоматической записи результатов. В отдельных случаях может быть использовано ручное и/или аналоговое оборудование.

Для достижения высокого качества результатов важны параметры всего электроакустического тракта дефектоскопа: приемника (усилителя), генератора, преобразователей и соединяющих кабелей. В число важных параметров для обеспечения повторяемости результатов контроля входят:

а) время нарастания излучаемого импульса;

б) амплитуда излучаемого импульса;

в) ширина излучаемого импульса;

г) центральная частота, нижняя и верхняя частота приемника;

д) центральная частота преобразователя, длительность возбуждаемого импульса, импеданс кабелей и преобразователей.

Опыт показывает, что общепринятые генераторы ударного типа могут давать хорошие результаты для применения в ДВМ методе. Рекомендуются следующие параметры дефектоскопа:

а) в большинстве случаев используются возбуждающие импульсы амплитудой 200 В и шириной от 1,2 пс до 100 нс;

б) если генератор однополярный, то ширина излучаемого импульса должна быть минимальной с возможно большей скоростью нарастания фронта. Номинальная ширина однополярного импульса 100 нс или меньше, насколько это достижимо. Должна быть обеспечена скорость нарастания фронта импульса 50 нс или меньше;

в) если генератор биполярный, то идеальная ширина импульса 3/41, где1- длина волны (обычно от 1 до 2 мс). Минимальная ширина импульса 1/21 (обычно от 0.3 до 0.6 мс). Тем не менее время нарастания должно быть равным приблизительно 50 нс;

г) широкополосный приемник должен иметь полосу от 0.8 до 30 МГц.

Так как полученные сигналы при работе с ДВМ обычно очень слабы, то приемник должен иметь более высокое, чем обычно усиление с высоким отношением «сигнал - шум».

Примечание. Желательно наличие предусилителя, особенно, если используются длинные кабели.

Для автоматизированных систем контроля необходима синхронизация движения сканирующего механизма с аппаратурой системы, регистрирующей данные.

Для достижения высокой точности метода при контроле ДВМ предъявляются высокие требования к цифровому блоку системы регистрации. Требуется аналого-цифровой преобразователь с частотой не менее 20 - 25 МГ ц.

При интерпретации данных ДВМ наблюдаемые сигналы рекомендуется представлять на В-развертке или Б-развертке.

Обычные требования к экрану включают визуализацию амплитуды в виде серой или цветной шкалы.

Примечание. Опыт показывает, что могут быть рекомендованы для использования, как минимальные, серые шкалы с градацией на 64 интервала.

Обычные дефектоскопы, как правило, не используются для этого метода контроля, тем не менее, использование коммерческого оборудования возможно.

2. Выбор ультразвуковых преобразователей

Для получения наиболее высокой точности контроля существенно, чтобы эхо-сигналы обеспечивали хорошую разрешающую способность во времени. Исходя из этого рекомендуется использовать не детектированный режим контроля.

Выбор типа преобразователя определяется следующими параметрами:

а) работа на продольных волнах;

б) необходимость высокого временного разрешения, то есть применение высокочастотных преобразователей или преобразователей с коротким импульсом возбуждения;

в) необходим учет затухания УЗК в объекте контроля (ОК);

г) необходимость работы в ближней зоне преобразователя;

ж) особые требования к ширине пучка УЗК.

Примечание. Выбор каждого из параметров представляет компромисс между достижением высокой разрешающей способности, достижением возможно большего отношения сигнал-помеха и достаточно высокой чувствительностью.

Обычно используют продольную волну, так как она имеет наиболее высокую скорость. В этом случае полезный эхо-сигнал прибывает раньше конкурирующего трансформированного эхо-сигнала (поперечной волны), что обеспечивает меньший уровень помех. Использование горизонтально поляризованной сдвиговой волны может быть целесообразно при контроле некоторых крупнозернистых материалов, для которых полезно применение подобных преобразователей.

Ширина пучка УЗК должна быть выбрана такой, чтобы озвучить все интересующее сечение объекта контроля. Благодаря преломлению лучей на поверхности призма - ОК и использованию пучка с широкой диаграммой направленности этого, как правило, не трудно достигнуть. Так как измерение амплитуды в данном методе не используется, однократное озвучивание дает возможность получить приемлемое отношение сигнал-помеха даже для краевых зон пучка УЗК и все интересующие дефекты могут быть выявлены с достаточной чувствительностью.

Специальные случаи контроля требуют использования более узких пучков лучей, например, если необходимо обнаруживать только дефекты, расположенные вблизи противоположной поверхности. Сужение пучка увеличивает интенсивность излучения, т.е. повышает чувствительность. Фокусировка лучей не может быть использована для поиска дефектов, потому что озвучиваемая при этом область ОК слишком мала для обеспечения гарантированного обнаружения дефектов во всем сечении. Однако фокусировка может быть использована для измерения размеров дефектов путем локации кончика дефекта.

Чаще всего для контроля применяют преобразователи с центральной частотой от 2 до 10 МГц и диаметром от 6 до 20 мм. Подбор оптимального преобразователя начинают с использования широкополосного преобразователя на частоту 5 МГц с диаметром пьезоэлемента 12 мм.

Сущность ДВМ метода поясняется на рис. 1. При падении упругой волны на дефект (не-сплошность - трещина, непровар) энергия волны частично отражается от его поверхности и частично огибает и трансформируется в различные типы волн - дифракция (рис. 1 а). Вследствие этого от верхней и нижней границ дефекта возникают две дифрагированные волны. Для обнаружения дифрагированных волн обычно применяют раздельную схему включения УЗ преобразователей, при которой один преобразователь излучает УЗК («изл»), а второй принимает («пр») (рис. 1б). При этом на экране дефектоскопа будут видны 4 сигнала: сигнал от поверхности изделия, донный сигнал и 2-а сигнала от границ дефекта. По времени прихода сигналов от границ дефекта можно определить глубину его залегания “ё” и протяженность “Ь” (рис. 1в).

В России метод ДВМ практически не применяется, хотя еще 1972-1973 гг. были проведены одни из первых исследований особенностей этого метода УЗ контроля [1].

Описание метода ТОББ дано в Британском стандарте ББ 7706: 1993 г.[2] и проекте Европейского стандарта БКУ 583-6: 1997 г.[3].

На разработку метода TOFD в рамках специального Европейского фонда BRITE EURAM в 1996-1997 гг. для Университета в г. Surrey (Англия) было выделено специальное финансирование (грант) на проект: № 5907 "NDT Methods for Flaw Detection During Welding".

Есть зарубежные публикации о применении TOFD метода для измерения развивающихся трещин в процессе механических испытаний осей тяжелых автомобилей с толщиной стенки 12мм. При этом была установлена связь длины и глубины усталостной трещины от количества циклов испытаний.

а)

б)

Толщина изделия

в)

Сигнал от головной волны

Донный сигнал

Рис. 1. Принцип ДВМ (ТОББ) метода: а - схема отражений и дифракции УЗ колебаний на дефекте; б - геометрическая схема ДВМ метода; в - эхо-сигналы на экране дефектоскопа

Опубликованы данные о применении ТОББ метода для контроля сварных швов подводной части морской буровой платформы в Северном море, а также сварных швов газовых контейнеров. Проверено около 2000 пог.м сварных швов. Установлено, что производительность УЗ контроля в 20-50 раз превосходит радиографию.

Применительно к нуждам ГА ДВМ-метод позволяет повысить точность и достоверность измерений путем визуального отображения дефекта - более привычного для восприятия глазом человека.

3. Экспериментальные исследования

В связи с разрушением узла крепления лопасти винта направления вертолета Ми-8 (2007 г.) было проведено исследование (путем моделирования) возможности неразрушающего контроля данного узла с использованием ультразвукового метода с визуализацией TOFD.

Данное разрушение произошло из-за образования трещины в зоне болтового соединения лонжерона лопасти (алюминиевый сплав толщиной 10 мм) и стальной накладки, состыкованных через слой герметика. Эскиз соединения приведен на рис. 2.

Рис. 2. Эскиз соединения лонжерона лопасти и стальной накладки

Для определения возможности выявления трещины в указанном узле в данной работе был смоделирован процесс УЗ контроля на образце, представляющем собой две пластины, выполненные из стали и алюминиевого сплава, соединенные через слой смазки, имитирующей соединение через герметик (рис. 3). В нижней пластине были выполнены: отверстие диаметром 10 мм, имитирующее отверстие под болт, и сквозная прорезь, имитирующая трещину (рис. 4). Графическая визуализация дефекта в данном случае осуществлялась с использованием TOFD метода.

Приборы:

- ультразвуковой дефектоскоп УД2В-П46;

- совмещенный преобразователь прямой (К10К, частота 10МГц);

- совмещенный преобразователь с углом призмы 35о (угол ввода 45о), частота 10МГц;

- ПК с программой UdOscil программного обеспечения дефектоскопа УД2В-П46.

Использование преобразователя К10К обусловлено необходимостью контроля качества

акустического контроля.

Сканирование поверхности осуществлялось при помощи двух преобразователей (прямой К10К и наклонный с углом призмы 35о). В центре отверстия, имитирующего болтовое соединение лонжерона лопасти и стальной накладки, состыкованных через слой герметика, закрепляется ось, вокруг которой производится вращение преобразователей. Ультразвук вводится контактным методом с использованием смазки.

П1 21-5.0-35 °

IC10K

Преобразователи включены по совмещенной схеме

ОбразецN2, выполненный из стали толщиной 20мм

Образец №1 выполненный из алюминиевого сплава толщиной 10. мм

Рис. 3. Схема проведения эксперимента УЗ контроля на образце

Алюминиевый

образец

Сквозная прорезь в алюминиевой пластине длиной 10мм^~ раскрытие 0,3..мм

Сквозное отверстие в стальной пластине <}=10мм

Рис. 4. Схема прозвучивания образцов. Сплошными стрелками показан прямой эхо-сигнал от прорези в алюминиевом образце; пунктирными стрелками показан отраженный от дна эхо-сигнал от прорези в алюминиевом образце

На рис. 5 показаны полученные ДВМ методом изображения эхо-сигналов в образце. Слева изображения эхо-сигналов от прорези, имитирующей трещину, полученные наклонным преобразователем. Справа в одинаковом масштабе добавлены ДВМ изображения эхо-импульсов, полученных прямым преобразователем.

Прямой преобразователь К10К излучает продольные волны. Эхо-сигналы, отраженные от дна стальной и алюминиевой пластин, фиксируются и отображаются на мониторе компьютера в виде изображений фронтальных прямых (позиции 3, 4, рис. 5) при помощи программы иёОБеШ. Дно алюминиевой пластины находится на расстоянии 30 мм от преобразователя, поэтому на экране первый сигнал (позиция 3, рис. 5) - от дна стальной пластины. Установленная развертка дефектоскопа позволяет фиксировать сигнал, дважды отраженный от дна стальной пластины (позиция 5, рис. 5). Таким образом, обеспечивается контроль наличия акустического контакта преобразователей и прохождение сигнала в алюминиевую пластину.

Наклонный преобразователь излучает поперечные волны. Отраженные сигналы фиксируются дефектоскопом УД2В-П46 и отображаются на дисплее компьютера при помощи программы иёОБеШ в режиме ТОББ метода (левое изображение на рис. 5). При отсутствии дефекта -на экране отображается серый фон. Появление на экране сигналов свидетельствует о наличии дефектов в контролируемой зоне. Первым приходит прямой эхо-сигнал, отраженный от нижней части прорези в алюминиевом образце. Второй эхо-сигнал, однократно отраженный от дна и верхней части прорези (позиции 1 и 2, рис. 5).

Рис. 5. Запись изображений дефекта (на рисунке показаны слева) и донных сигналов (справа) в режиме TOFD. Дефект - прорезь в алюминиевом образце: 1 - прямой эхо-сигнал от нижней части прорези в алюминиевом образце; 2 - эхо-сигнал, отраженный от дна и верхней части прорези; 3 - первое отражение от нижней поверхности стального образца; 4 - эхо-сигнал от нижней поверхности алюминиевого образца; 5 - двукратно отраженный сигнал в стальном

образце

Выводы

В работе показана возможность выявления УЗ методом дефектов типа сквозных трещин около отверстий под болт, в нижнем слое двух материалов (сталь и алюминий), соединенных через слой герметика. Контроль осуществляется с использованием двух ультразвуковых преобразователей:

- прямой совместный К10К, работающий на частоте 10 МГц - для контроля качества соединения герметика с материалом;

- наклонный совместный П121-5.0-35 о - для выявления трещины около болтового соединения в нижнем слое.

ЛИТЕРАТУРА

1. Григорьев М.В., Гребенников В.В. Определение размеров трещин ультразвуковым методом // Дефектоскопия. - 1978. - № 2. - С. 41-46.

2. Иванов В.И., Власов И.Э. О дефектоскопических подходах в ультразвуковом контроле // Дефектоскопия. - 1998. - № 1. - С. 8-12.

3. Guided to Calibration and Setting of Ultrasonic Time of Flight Diffraction (TOFD) technique for Detection, Location and Sizing of Flaws. BS 7706: 1993.

4. The European TOFD Standard ENV 583-6 Nondestructive Testing Ultrasonic Examination , Part 6: Time of Flight Diffraction Technique as a Method for Defect Detect and Sizing.

RESEARCH OPPORTUNITIES OF ULTRASONIC CHECK ATTACHMENT POINT ANTITORQUE ROTOR HELICOPTER MI-8 WITH HELP OF VISUALIZATION ECHO SIGNAL BY TOFD

Ampleev D.V, Micolaychuk U.A.

In this article have been looking question about possibility deployment TOFD (Time of Flight Diffraction Technique in Aviation). One of the example of providing this method is finding cracks in attachment point antitorque rotor helicopter Mi-8.

Key words: nondestructive testing, time of flight diffraction (TOFD) technique for Detection, ultrasonic testing.

Сведения об авторах

Амплеев Дмитрий Викторович, 1984 г.р., окончил МГТУ ГА (2006), заместитель начальника отдела НМК НЦПЛГ ВС ГосНИИ ГА, автор 3 научных работ, область научных интересов - поддержание летной годности воздушных судов.

Миколайчук Юрий Александрович, 1960 г.р., окончил КИИГА (1983), начальник отдела НМК НЦПЛГ ВС ГосНИИ ГА, III уровень по акустическому виду НК, автор более 20 научных работ, область научных интересов - УЗ дефектоскопия АТ.