АКУСТИЧЕСКИЙ БЛОК ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО ЛОКАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ТРУБ
ACOUSTIC BLOCK FOR NON-DESTRUCTIVE ULTRASOUND LOCAL CONTROL OF PIPE QUALITY

Изобретение относится к области средств неразрушающего контроля, в частности к ультразвуковому контролю качества труб, и может найти широкое применение в атомной, химической, нефтяной и других отраслях промышленности.
Главным преимуществом средств неразрушающего ультразвукового контроля является то, что ультразвуковой контроль не разрушает и не повреждает исследуемый образец, позволяет проводить контроль изделий из металлических и неметаллических материалов.
К достоинствам этого метода можно отнести оперативность исследования при низких стоимости и опасности для оператора, а также высокую мобильность ультразвуковых дефектоскопов.
Ультразвуковой дефектоскоп позволяет обнаружить несколько видов дефектов, в том числе: нарушение сплошности или неоднородностей в объеме, в том числе и химических изменений; зоны коррозионного поражения; отклонения химического состава и размеров изделия.
Как известно, звуковые волны не изменяют траектории движения в однородном материале, поэтому отражение акустических волн возможно от раздела сред с различными удельными акустическими сопротивлениями. При этом разрешающая способность акустического исследования определяется длиной звуковой волны, которая, в свою очередь, зависит от частоты ввода акустических колебаний, т.е. чем больше частота, тем меньше длина волны.
Вследствие того, что при размере препятствия меньше четверти длины волны, отражения колебаний практически не происходит, а доминирует их дифракция, поэтому, обычно, частоту ультразвука стремятся повышать.
С другой стороны, при повышении частоты колебаний быстро растет их затухание, что сокращает возможную область контроля, поэтому в практических исследованиях используют частоты колебаний в диапазоне от 0,5 до 10 МГц.
Для оптимизации данных рекомендаций наиболее пригодным является использование пьезоэлектрического эффекта в качестве метода возбуждения ультразвуковых волн в исследуемом изделии.
Излучение ультразвуковых волн осуществляется путем преобразования электрических колебаний в акустические путем обратного пьезоэлектрического эффекта и преобразования их в электрические вследствие прямого пьезоэлектрического эффекта после прохождения контролируемой среды.
В изобретении пьезоэлектрический преобразователь совмещает в себе две функции - выполняет роль излучателя и приемника ультразвуковых колебаний, т.е. используется эхо-метод или эхо-импульсный метод.
Эхо-метод основан на посылке дефектоскопом в изделие коротких импульсов ультразвуковых колебаний и регистрации интенсивности и времени прихода эхо-сигналов, отраженных от дефектов.
Метод широко распространен за счет своей простоты, так как для проведения контроля требуется только один преобразователь, следовательно, при ручном контроле отсутствует необходимость в специальных приспособлениях для его фиксации.
В процессе контроля качества трубы датчик эхо-дефектоскопа сканирует ее поверхность для обнаружения поверхностных и глубинных дефектов и их формы.
О наличии дефекта судят по уменьшению энергии ультразвуковых колебаний или по изменению фазы ультразвуковых колебаний, огибающих дефект.
Кроме того, ультразвуковой дефектоскоп позволяет достаточно точно определить координаты дефекта, такие как глубину залегания и его положение в исследуемом объекте.
Известен акустический блок для локального ультразвукового неразрушающего контроля качества труб, содержащий сканирующий узел с основанием, снабженным опорными роликами, связанным посредством двух штоков с цилиндрическим корпусом, в котором размещены демпфер, ультразвуковой эхо-пьезопреобразователь, локальная ванна с патрубком для подпитки ее иммерсионной жидкостью, при этом корпус снабжен двумя диаметрально противоположными выступами на внешней цилиндрической поверхности с плоским срезом в нижней части, в котором выполнена локальная ванна с каналами для подпитки иммерсионной жидкостью, распространенная в тело указанных выступов, на противоположной стороне каждого из которых выполнены глухие отверстия, сопряженные с шаровыми опорами штоков, связанных с основанием (патент RU60221, МПК G01N 29/04, опубл. 10.01.2007 г.).
Данное техническое решение является наиболее близким к изобретению, поэтому принято за прототип.
Недостатком прототипа является невысокая точность измерений вследствие периодического неплотного прилегания эхо-пьезопреобразователя к исследуемой поверхности в результате постоянства усилий прижатия его корпуса вне зависимости от диаметра исследуемой трубы.
Технический результат от использования изобретения заключается в повышении точности исследований труб разного диаметра за счет более плотного прилегания эхо-преобразователя к поверхности исследуемого объекта.
Ниже приведены общие и частные существенные признаки, характеризующие причинно-следственную связь изобретения с указанным техническим результатом.
Акустический блок для локального ультразвукового неразрушающего контроля качества труб содержит сканирующий узел с основанием, снабженным опорными роликами. Основание связано посредством двух штоков с цилиндрическим корпусом. В корпусе размещены демпфер, ультразвуковой эхо-пьезопреобразователь, локальная ванна с патрубком для подпитки ее иммерсионной жидкостью. Корпус снабжен двумя диаметрально противоположными выступами на внешней цилиндрической поверхности с плоским срезом в нижней части. В корпусе выполнена локальная ванна с каналами для подпитки иммерсионной жидкостью, распространенная в тело указанных выступов. На противоположной стороне каждого выступа выполнены глухие отверстия, сопряженные с шаровыми опорами штоков, связанных с основанием. Ультразвуковой эхо-пьезопреобразователь подключен к ультразвуковому дефектоскопу, включающему в себя генератор импульсов возбуждения, синхронизатор, генератор развертки, электронно-лучевую трубку, усилитель, автоматический сигнализатор дефектов. Пьезоэлемент эхо-преобразователя соединен с электронно-лучевой трубкой посредством: первой электроцепи через генератор импульсов возбуждения - синхронизатор генератор - развертки и второй электроцепи через усилитель - автоматический сигнализатор дефектов. Указанное основание выполнено в виде листового упругого элемента, установленного передним концом посредством вилки на ось переднего ролика, а задним концом на ось двух разнесенных задних роликов, меньшего диаметра, чем передний ролик. Передний из указанных штоков выполнен в виде маятниковой тяги с шаровыми опорами на концах, верхняя из которых присоединена к кронштейну на основании. Нижняя шаровая опора размещена в переднем выступе на корпусе. Задний шток выполнен в виде телескопической пружинной стойки, верхний конец которой соединен поперечной осью с упругим элементом. Нижний конец стойки образует с задним выступом на корпусе шаровую опору. Ось пружинной стойки перпендикулярна оси листового упругого элемента в исходном положении акустического блока. Передний шток снабжен ограничителем перемещения эхо-преобразователя вперед, выполненным в виде выступа с возможностью упора в листовой упругий элемент, а провода к пьезоэлементу и патрубок питания эхо-преобразователя иммерсионной жидкостью размещены в накладке, прикрепленной к основанию. При этом задний конец листового упругого элемента (основания) выступает консольно за пределы оси задних роликов и жестко соединен с одним концом рукоятки, другой конец которой жестко прикреплен к основанию между накладкой и осью задних роликов. В качестве иммерсионной жидкости может быть использована вода.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где: на фиг. 1 представлен продольный разрез устройства; на фиг. 2 представлен в увеличении ультразвуковой эхо-пьезопреобразователь; на фиг. 3 - вид А на фиг. 1; на фиг. 4 - вид сверху на акустический блок.
Акустический блок для локального ультразвукового неразрушающего контроля качества труб содержит сканирующий узел с основанием 1, снабженным опорными роликами 2 и 3.
Основание 1 связано посредством двух штоков 4 и 5 с цилиндрическим корпусом 6.
В корпусе 6 размещены демпфер 7, ультразвуковой эхо-пьезопреобразователь 8 с пьезоэлементом 9, локальная ванна 10 с патрубком 11 для подпитки ее иммерсионной жидкостью.
Корпус 6 снабжен двумя диаметрально противоположными выступами 12 на внешней цилиндрической поверхности с плоским срезом в нижней части.
В корпусе 6 выполнена локальная ванна 10 с каналами 13 для подпитки иммерсионной жидкостью, распространенная в тело указанных выступов 12.
На противоположной стороне каждого выступа 12 выполнены глухие отверстия, сопряженные с шаровыми опорами 14 штоков, связанных с основанием 1. Ультразвуковой эхо-пьезопреобразователь 8 подключен к ультразвуковому дефектоскопу 15, включающему в себя генератор импульсов возбуждения 16, синхронизатор 17, генератор развертки 18, электронно-лучевую трубку 19, усилитель 20, автоматический сигнализатор дефектов 21.
Пьезоэлемент 9 эхо-преобразователя 8 соединен с электронно-лучевой трубкой 19 посредством первой электроцепи через генератор импульсов возбуждения 16 - синхронизатор 17 - генератор развертки 18 и второй электроцепи через усилитель 20 - автоматический сигнализатор дефектов 21. Указанное основание 1 выполнено в виде листового упругого элемента, установленного передним концом посредством вилки 22 на ось переднего ролика 2, а задним концом на ось 23 двух разнесенных задних роликов 3 меньшего диаметра, чем передний ролик 2.
Передний из указанных штоков выполнен в виде маятниковой тяги 4 с шаровыми опорами 14 на концах, верхняя из которых присоединена к кронштейну 24 на основании 1.
Его нижняя шаровая опора14 размещена в переднем выступе 12 на корпусе 6.
Задний шток 5 выполнен в виде телескопической пружинной стойки, верхний конец которой соединен поперечной осью 25 с основанием - упругим элементом 1.
Нижний конец стойки 5 образует с задним выступом 12 на корпусе 6 шаровую опору 14.
Ось пружинной стойки 5 перпендикулярна оси листового упругого элемента (основания) 1 в исходном положении акустического блока.
Передний шток 4 снабжен ограничителем 26 перемещения эхо-преобразователя 8 вперед, выполненным в виде выступа с возможностью упора в листовой упругий элемент 1, а провода 27 к пьезоэлементу 9 и патрубок 11 питания эхо-преобразователя 8 иммерсионной жидкостью размещены в накладке 28, прикрепленной к основанию 1.
При этом задний конец листового упругого элемента (основания) 1 выступает консольно за пределы оси 23 задних роликов 3 на расстояние 1 и жестко соединен с одним концом рукоятки 29, другой конец которой жестко прикреплен к основанию между накладкой 28 и осью 23 задних роликов 3.
В качестве иммерсионной жидкости может быть использована вода.
Сравнение заявленного технического решения с уровнем техники, известным из научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках, не выявило средство, которому присущи признаки, идентичные всем признакам, содержащимся в предложенной заявителем формуле изобретения, включая характеристику назначения. Т.е. совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна и не тождественна каким-либо известным техническим решениям, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".
Данное техническое решение промышленно применимо, поскольку в описании к заявке и названии изобретения указано его назначение, оно может быть осуществлено промышленным способом для контроля качества труб, осуществимо и воспроизводимо, а отличительные признаки, приведенные в формуле изобретения устройства, позволяют получить заданный технический результат, т.е. являются существенными.
Изобретение в том виде, как оно охарактеризовано в формуле, может быть осуществлено с помощью средств и методов, описанных в патенте RU 60221, ставшим общедоступным до даты приоритета изобретения.
Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".
Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенное техническое решение не следует для специалиста явным образом из уровня техники, поскольку не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с его отличительными признаками, а в выявленных таких решениях не подтверждена известность влияния отличительных признаков на указанный в материалах заявки технический результат.
Т.е. заявленное решение имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование этих признаков в заявленной совокупности существенных признаков дает возможность получить новый технический результат - повышение точности исследований труб разного диаметра.
Следовательно, предложенное техническое решение может быть получено только путем творческого подхода и неочевидно для среднего специалиста в этой области, т.е. имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.
Для подтверждения возможности осуществления изобретения ниже приводятся следующие сведения о работе устройства, раскрывающие, как может быть осуществлено изобретение с реализацией указанного заявителем назначения и с подтверждением возможности достижения технического результата при осуществлении изобретения.
Сканирующий узел (эхо-пьезопреобразователя 8) подводят к поверхности ввода-приема ультразвуковых колебаний контролируемого изделия 31 и устанавливают его основание 1 опорными роликами 2 и 3 на исследуемую поверхность.
Эхо-пьезопреобразователь 8 локальной ванной 10 поджимается к трубе 31 путем изгиба упругого листового элемента 1 из положения I в положение II (фиг. 1) поворотом руки 30 оператора вперед в сторону движения устройства при измерении. Затем локальная ванна 10 поджимается к трубе 31 пружинной стойкой 4 за счет деформации упругого листового элемента 1 в пределах перемещения маятниковой тяги 4 до контакта упора 26 с листовым упругим элементом 1.
В локальную ванну 10 подается иммерсионная жидкость (например, вода) через патрубок 11 и каналы 13 в демпфере 7 для создания акустического контакта между пьезоэлементом 9 и поверхностью трубы 31.
При заполнении локальной ванны 10 импульс передается от пьезоэлемента 9 через кабель 27 на ультразвуковой дефектоскоп 15, что подтверждает наличие акустического контакта между эхо-пьезопреобразователем 8 и поверхностью изделия 31.
После подтверждения акустического контакта эхо-пьезопреобразователь 8 перемещают по поверхности контролируемого изделия 31 вперед и осуществляют контроль его качества.
В процессе перемещения эхо-пьезопреобразователя 8 возникает утечка контактной жидкости из локальной 10, которую пополняют подпиткой через каналы 13 по патрубку 11.
Далее от генератора импульсов возбуждения электроимпульс попадает на пьезоэлемент 9, который в процессе анализа обращен к трубе 31 и возбуждает в нем ультразвуковой импульс.
Ультразвуковой импульс, отраженный от противоположной стороны объекта контроля и/или дефекта, возвращается к поверхности пьезоэлемента 9.
Вследствие явления прямого пьезоэффекта ультразвуковые импульсы преобразуются пьезоэлементом в электрические импульсы, которые поступают на приемное устройство (усилитель 20), где сигнал усиливается, измеряется.
Затем сигнал поступает в автоматический сигнализатор дефектов (АСД) 21, который подает звуковой и световой сигнал при появлении сигнала от дефекта. Уровень срабатывания АСД устанавливается оператором.
Далее сигнал поступает на вертикальные отклоняющие пластины, например, электронно-лучевой трубки 19 (индикаторного устройства), которая соединена с генератором развертки 18.
На этом этапе и определяется график (спектр) плотности образца, анализируются два параметра из этой развертки - амплитуда пиков и время прихода сигнала.
Следует отметить, что плотное прилегание эхо-пьезопреобразователя 8 к трубе достигается необходимым поджатием изгибом упругого элемента 1 рукой 30 оператора. Вследствие изгиба упругого элемента 1 увеличивается поджатие эхо-пьезопреобразователя 8 пружинной стойкой 5. При этом максимальное приближение эхо-пьезопреобразователя 8 к трубе 31 ограничивается упором 26 маятниковой тяги 4 в листовой упругий элемент 1.
В зависимости от диаметра исследуемой трубы 31 усилие от пружинной стойки и перемещение эхо-пьезопреобразователя 8 до обеспечения надлежащего его контакта с трубой 31 будут различными, т.е. изобретение обладает надежным акустическим контактом при малых скоростях сканирования.
Этим также обеспечиваются расширение диапазона применения устройства и точность измерений для труб различного диаметра.
Использование изобретения позволяет повысить точность исследований труб 31 разного диаметра за счет более плотного прилегания эхо-преобразователя 8 к поверхности исследуемой трубы 31.