Способ высокоскоростной ультразвуковой дефектоскопии длинномерных объектов
METHOD FOR HIGH-SPEED ULTRASONIC FLAW DETECTION OF LONG-DIMENSIONAL OBJECTS

Способ высокоскоростной ультразвуковой (УЗ) дефектоскопии длинномерных объектов относится к неразрушающему контролю материалов и изделий и может быть использован при УЗ контроле железнодорожных рельсов и других протяженных изделий.
Требование увеличения пропускных способностей рельсового транспорта оставляет меньше времени на контроль состояния рельсов и устранение выявленных в них дефектов. Поэтому создание надежных способов высокоскоростного контроля рельсов представляет собой актуальную задачу.
p
Высокие скорости V сканирования обуславливают сокращение времени пребывания Ах искательной системы, состоящей из одного или нескольких электроакустических преобразователей (ЭАП), в зоне локации дефекта. В терминологии УЗ дефектоскопии зона локации дефекта, в соответствии с действующей ГОСТ 18576 - 96 и других нормативных документов [1, 2], рассматривается как условная протяженность дефекта ΔL и является одним из основных параметров фиксируемых сигналов. Действительно, при предельных скоростях сканирования (например, 160 км/ч или 44,4 м/с) временной интервал Δτ = ΔL/V нахождения ЭАП в зоне локации дефекта, при реальных значениях условной протяженности (ΔL = 50 мм), всего в 5 раз больше, чем время t пробега (распространения) УЗ колебаний до дефекта и обратно близкого к 200 мкс (например, дефект в подошве рельса типа Р65). Все это приводит к приему малого количества импульсов от искомых дефектов и к снижению достоверности контроля.
Количество импульсов, принимаемых от дефекта, можно было бы увеличить путем увеличения частоты F посылок зондирующих импульсов, однако эта величина также ограничена основным принципом эхо-метода УЗ контроля при импульсном излучении: последующий зондирующий импульс может быть инжектирован только после приема всех ожидаемых эхо-сигналов от потенциальных дефектов в контролируемом изделии. При контроле рельсов, как это следует из приведенного примера и показано в приведенных ниже источниках, частота F не может быть выше 5,0 кГц (F ≤ 5,0 кГц). Т.е. период Т между последовательностями зондирующих импульсов не может быть меньше, чем Т = 1/F = 200 мкс.
Для увеличения зоны локации искомого дефекта при больших скоростях сканирования применяют различные способы. Например, известен [3] способ ультразвукового зондирования области отверстий болтового стыка рельса, заключающийся в подаче в рельс ультразвуковых зондирующих сигналов электроакустическим преобразователем, получении приемными электроакустическими преобразователями из рельса отраженных ультразвуковых сигналов, совместной оценке их, по результатам которой средствами обработки судят о наличии дефекта в виде трещин вокруг болтового отверстия. Сущность способа состоит в том, что предполагаемую область дефекта зондируют под разными углами с помощью ЭАП с двумя пьезопластинами.
Недостатком способа [3] является непригодность для высокоскоростной дефектоскопии.
Известен способ обнаружения дефектов в рельсах [4], заключающийся в том, что к основному прямому ЭАП, излучающем продольные УЗ колебания, в пределах зоны досягаемости зондирующих ультразвуковых сигналов первого электроакустического преобразователя, отраженных от подошвы рельса, устанавливают дополнительные ЭАП, принимающие отраженные от подошвы рельса и возможных дефектов УЗ сигналы, и по совместному анализу принимают решение о наличии и положения дефекта в рельсе.
Недостатком способа [4] является непригодность для высокоскоростной дефектоскопии при контроле наклонными ЭАП с возбуждением и приемом поперечных УЗ колебаний. Известно [2, 5], что большинство дефектов в рельсах обнаруживаются с помощью наклонных ЭАП, излучающих поперечные УЗ колебания.
Известен способ высокоскоростного УЗ контроля [6], заключающийся в подаче в рельс ультразвуковых зондирующих сигналов несколькими однонаправленными наклонными электроакустическими преобразователями, получении ими отраженных ультразвуковых сигналов, совместной оценке их средством обработки, по результатам которой судят о наличии дефекта. Недостатком известного способа является ограниченное применение, вызванное обнаружением дефектов только в определенной зоне контролируемого объекта.
Наиболее близким к заявляемому является способ сплошного высокоскоростного УЗ контроля рельсов [7], заключающийся в подаче в рельс ультразвуковых зондирующих сигналов несколькими излучающими однонаправленными наклонными электроакустическими преобразователями, получении ими отраженных ультразвуковых сигналов, совместной оценке их средством обработки, по результатам которой судят о наличии дефекта.
Идея известного способа [7] заключается в том, что УЗ зондирование осуществляется одновременно несколькими n наклонными (основным и дополнительными) ЭАП. Расстояние между ними выбирается из определенного соотношения с учетом необходимого шага сканирования.
Недостатки способа [7] заключаются в следующих обстоятельствах:
- Сложность конструктивного исполнения. При больших значениях n ЭАП оказываются разнесенными на значительные расстояния (до метра и более). Возможность конструктивного исполнения такого искательного УЗ блока с заданной дистанцией между ЭАП представляется сомнительной.
- Низкая точность измерений, обусловленная двумя обстоятельствами:
- требуемая дискретность зондирования при фиксированном относительном положении основного и дополнительных ЭАП и одновременном зондировании реализуема только при фиксированных скоростях их перемещения. Точное поддержание таких скоростей сложно реализуемо;
- для простоты технической реализации искательного блока целесообразно разместить основной и дополнительные ЭАП рядом друг с другом, например, при n = 3. В этом случае на первый план выходит проблема взаимовлияния зондирующих и отраженных сигналов. Возникают перекрестные связи (основной - дополнительный, дополнительный - основной ЭАП), эти сигналы сложно оценить корректно.
- Сложность реализации, низкая надежность и достоверность контроля. Использование нескольких ЭАП для озвучивания характерных дефектов под определенным углом (оптимальным для конкретных типов дефектов) предусматривает наличие для каждого дополнительного ЭАП дополнительных дефектоскопических каналов (генераторы зондирующих импульсов, усилители, схемы временной, амплитудной и частотной селекции) с соответствующей обработкой сигналов, что существенно усложняет дефектоскопическую аппаратуру и снижает надежность ее функционирования;
- в известных дефектоскопических комплексах для обнаружения характерных дефектов в рельсах используют несколько основных ЭАП (под типовыми углами α = 42°, 50°, 58°, 70°) [8]. При реализации способа, принятого за прототип [7], за счет применения дополнительных однонаправленных с основным ЭАП, количество рабочих ЭАП возрастает в n раз (минимум в 2 раза), что дополнительно снижает надежность и достоверность контроля из-за необходимости обеспечения надежного акустического контроля. А это при высокоскоростном контроле - является сложнейшей и, еще до конца не решенной, проблемой. Кроме того, увеличивается и расход контактирующей жидкости.
Таким образом, известный способ [7] обладает низкой надежностью и достоверностью контроля, его реализация возможна только при существенном усложнении дефектоскопической аппаратуры и конструкции искательной системы.
Задачей заявляемого способа является повышение надежности достоверности высокоскоростной УЗ дефектоскопии без существенного усложнения аппаратуры дефектоскопического комплекса.
Техническим результатом реализации заявляемого способа является повышение надежности и достоверности обнаружения дефектов при высокоскоростной УЗ дефектоскопии.
Для достижения этого результата в способе высокоскоростного ультразвукового контроля длинномерных объектов, заключающемся в периодическом излучении в объект контроля ультразвуковых зондирующих сигналов при перемещении электроакустического преобразователя вдоль объекта, приеме отраженных ультразвуковых сигналов, измерении их параметров, по результатам которых судят о наличии дефектов, согласно заявляемому способу используют электроакустический преобразователь с широкой диаграммой направленности.
Причем, в частном случае, получение широкой диаграммы направленности электроакустического преобразователя достигают за счет использования выпукло-вогнутой пьезопластины.
В другом частном случае, для обеспечения бесконтактного контроля объекта электроакустический преобразователь с широкой диаграммой направленности выполняют на основе электромагнитно-акустического преобразования.
n
Широкой ДН здесь и далее понимается ДН, значение которой в k раз больше ширины 2ϕ типового ЭАП. Причем
w
max
где ϕ - максимально возможное значение половины угла раскрытия ДН для возбуждаемого типа УЗ колебаний (предложения по его определению приведены ниже, в абзаце перед выражением (3)).
Отличительным признаком заявляемого способа является использование при высокоскоростном УЗ контроле длинномерных объектов ЭАП с широкой диаграммой направленности, причем получение широкой ДН при контактном вводе УЗ колебаний достигается за счет применение выпукло-вогнутой пьезопластины ЭАП. При бесконтактном вводе/приеме УЗ колебаний широкую ДН формируют за счет использования электромагнитно-акустического (ЭМА) преобразования.
n
w
Заявляемый способ иллюстрируют следующие графические материалы: Фиг. 1 - формирование амплитудной огибающей (Фиг. 1а) эхо-сигналов в процессе движения ЭАП со скоростью V по сканируемой поверхности контролируемого объекта в зоне локации дефекта при озвучивании его ЭАП с типовой (narrow) - 2ϕ и расширенной (wide) 2ϕ диаграммой направленности (Фиг. 1б), и соответствующее представление этих сигналов на развертке типа В (Фиг. 1в), где:
1. Объект контроля (например, железнодорожный рельс).
2. ЭАП.
3. Поверхность сканирования объекта контроля.
4. Дефект.
5. Пороговый уровень.
6. Эхо-импульсы на развертке типа В.
Фиг. 2 - зависимость величины Ей относительного изменения условной протяженности от скорости V сканирования при разных значениях угла раскрытия ϕ диаграммы направленности ЭАП из-за ощутимого сдвига ЭАП за время распространения ультразвуковых колебаний до дефекта и обратно.
Фиг. 3 - к изменению зоны взаимодействия со сканируемой поверхностью объекта контроля, где:
7. Выпукло-вогнутая пьезопластина (на Фиг. 3 заштрихована).
8. Плоская пьезопластина (показана пунктирными линиями).
9. Протектор.
Фиг.4 - Фрагменты паспортных данных типового и экспериментального ЭАП: а) ДН типового ЭАП с плоской пьезопластиной диаметром 12 мм; б) ДН ЭАП с выпукло вогнутой пьезопластиной.
Фиг. 5 - Экспериментальные дефектограммы, полученные от модели дефекта в рельсе: а) с помощью типового (с узкой диаграммой направленности) ЭАП; б) экспериментального ЭАП с широкой ДН. Пачки сигналов красного цвета получены «наезжающим» на дефект, а синие - «отъезжающим» ЭАП.
Рассмотрим возможность реализации и преимущества предлагаемого способа. По длинномерному объекту контроля 1 перемещают ЭАП 2, установленный на поверхность сканирования 3 объекта, со скоростью V (Фиг. 1б), периодически (с установленной периодичностью Т) излучая УЗ импульсы. При наличии в объекте 1 локального дефекта 4 и наезде ДН ЭАП 1 на дефект, УЗ колебания отражаются и фиксируются ЭАП 1. В общем случае ЭАП может работать в совмещенном или в раздельном режиме.
Эхо-сигналы от дефекта с постепенно нарастающей и, в последствии, спадающей амплитудой (амплитудной огибающей) могут быть зафиксированы на развертке типа А (Фиг. 1а). В течение времени Δτ (Фиг. 1в) пребывания ЭАП зоне локации ΔL, дефекта формируется группа (пачка) из N эхо-сигналов:
p
При регистрации большого потока информации, характерного для высокоскоростного контроля, целесообразно сигналы регистрировать на развертке типа В (Фиг. 1в) [5], где фиксируются все эхо-сигналы 6, амплитуды которых превышают заданный порог 5, с учетом их временного положения относительно зондирующего импульса на координатной плоскости «Время распространения УЗ колебаний t - Время движения ЭАП /» (Фиг. 1в).
n
n
w
w
При традиционных способах излучения/приема УЗ колебаний с помощью типовых ЭАП (см. Фиг. 1б для типового ЭАП), например, на основе использования плоских пьезопластин в контролируемом объекте (в железнодорожном рельсе), формируется довольно узкая диаграмма направленности (ДН) преобразователя шириной 2ϕ, которая, в зависимости от угла α ввода УЗ луча, составляет всего 6° … 8° [9]. Соответственно, и зона локации дефекта ΔL, будет незначительной (Фиг. 1), что и обуславливает прием малого количества N эхо-сигналов от дефекта 4. Естественно, при использовании ЭАП с расширенной ДН с шириной 2ϕ количество принимаемых эхо-сигналов N в соответствии с (1) возрастет пропорционально увеличению ΔL(Фиг. 1а), что способствует повышению достоверности контроля.
ΔL
дин
ст
В работе [10] показано, что кроме указанного фактора, на величину условной протяженности ΔL, вследствие заметного сдвига ЭАП за время распространения УЗ колебаний до дефекта и обратно, весьма заметно влияет и скорость V сканирования, уменьшая величину ΔL (своеобразная компрессия зоны локации дефекта). При движении ЭАП в сторону отражателя, относительное изменение ε условной протяженности ΔL измеренной при динамическом режиме (V >> 0), по сравнению с протяженностью ΔL, определенной при стационарном режиме (V ≈ 0), можно оценить с достаточной для практики точностью с помощью выражения
ΔL
где с - скорость распространения УЗ колебаний в контролируемом объекте (для поперечных УЗ колебаний в металле рельсе с = 3260 м/с). Заметим, что в соответствии [10], для «отъезжающего» ЭАП знак « - » в числителе перед<р выражения (2) должен быть заменен на знак «+», что, впрочем, незначительно меняет значение ε.
ΔL
дин
Относительное изменение ε условной протяженности зависит от угловых параметров ЭАП (угла ввода α и ширины диаграммы направленности 2ϕ). Из выражения следует, что чем больше ширина диаграммы направленности (ДН), тем меньше уменьшение ΔL, что благоприятно влияет на достоверность высокоскоростного контроля.
n
w
Как видно из Фиг. 2, построенной по (2) для значений угла ввода α = 50° при типовом угле раскрытия ϕ = 4° и широком угле ϕ = 12°, при увеличении ширины ДН 2ϕ в 3 раза можно добиться уменьшения относительного изменения условной протяженности при больших скоростях более чем в 2,5 раза. Естественно, при прочих равных условиях, в зоне локации ΔL большей протяженности можно получить большее количество импульсов (см. Фиг. 1), что способствует повышению достоверности контроля, особенно при высокоскоростном контроле.
кр1
кр2
ϕwmax
Необходимо отметить, что ширину ДН известными способами можно увеличить только в определенных пределах. Например, эффективные углы для возбуждения поперечных УЗ колебаний в металле ограничены первым α и вторым α критическими углами [2, 9]. Можно принять, что для рельсовой стали сектор углов, возможных для возбуждения указанных волн ограничивается углами от 38° до 70°. Т.е. максимально возможное значение 2 не должен превышать 32°. Кроме того, при симметричной ДН угол ввода а должен удовлетворять условию
что гарантирует, что весь пучок УЗ волн будет распространяться в пределах сектора углов эффективного возбуждения требуемых типов волн.
В известных способах высокоскоростного контроля поиск дефектов в требуемом сечении контролируемого объекта осуществляют с помощью искательной системы, состоящей из нескольких ЭАП с фиксированными углами ввода и с узкими ДН. Например, для поиска дефектов в рельсах по всей высоте (для рельсов типа Р65 - 180 мм) с помощью поперечных УЗ колебаний используют четыре ЭАП с типовыми углами ввода 42°, 50°, 58° и 70° с шириной ДН 6° … 8° [2, 8 и 9]. При этом, естественно, остаются озвученными неоптимальным образом секторы, в которых могут быть пропущены дефекты. Для обнаружения определенных типов дефектов внедряют дополнительные ЭАП, озвучивающие межлучевые пространства рельсов (см., например [11]). Однако, это усложняет конструкцию искательной системы и вынуждает ввести дополнительные излучающе/приемные каналы в аппаратуру дефектоскопического комплекса, в определенной степени снижая надежность ее функционирования. В этом случае задача повышения достоверности контроля решается только частично.
Осуществление поиска дефектов с помощью предлагаемого способа ЭАП с широкой ДН, охватывающей максимальное контролируемое сечение объекта, исключает появление неконтролируемых секторов и повышает достоверность контроля без увеличения дефектоскопических каналов.
Таким образом, поиск дефектов с помощью ЭАП с расширенной ДН позволяет получить ожидаемый технический результат за счет четырех, рассмотренных выше, положительных факторов:
- озвучивания искомого дефекта на участке (в зоне локации ΔL) большей протяженности, что позволяет получить большее количество импульсов от дефектов на высоких скоростях и больше информации о дефекте;
- уменьшения влияния больших скоростей сканирования на сжатие (компрессию) сигналов контроля;
- расширения зоны активного взаимодействия ЭАП со сканируемой поверхностью контролируемого объекта с увеличением времени «контактирования» с дефектом;
- исключения «слепых» зон в контролируемом сечении объекта, характерных для схем прозвучивания, реализованных с помощью нескольких ЭАП с дискретными углами ввода/приема УЗ колебаний и с узкими ДН.
Существенным отличием заявляемого способа является выполнение приемно-излучающего ЭАП с широкой диаграммой направленности.
В качестве ЭАП в заявляемом способе могут применяться различные способы возбуждения/приема акустических колебаний с помощью контактных способов вода/приема УЗ колебаний на основе использования пьезопластин, в том числе с помощью фазированных антенных решеток (ФАР) [12], и бесконтактных - на основе электромагнитно-акустического (ЭМА) [13] и даже лазерного возбуждения и ЭМА приема.
Рассмотрим возможности расширения ДН при использовании в качестве ЭАП УЗ преобразователей на основе пьезопластин. Как известно [2], угол раскрытия ϕ ДН (Фиг. 1) зависит от длины волны в объекте контроля, радиуса пьезопластины, угла призмы, скоростей ультразвуковых волн. Широкая ДН с большим углом раскрытия имеет преимущества на этапе поиска дефектов, так как позволяет озвучивать значительные объемы материала. Узкая ДН позволяет проводить измерения координат дефектов, оценивать их форму и размеры с меньшей погрешностью.
При высокоскоростном контроле, естественно, основная цель - это поиск дефектов. А оценку координат, форму и размер дефектов производят при уточняющем ручном контроле, предусмотренном действующими технологиями дефектоскопии [1].
Одним из простых способов увеличения ширины ДН является уменьшение размера пьезопластины, однако при этом уменьшается и энергия распространяемых в контролируемом объекте акустических колебаний, что неизбежно приведет к уменьшению чувствительности контроля, что при высокоскоростной дефектоскопии недопустимо.
Очевидным способом расширения ДН является добавлении к ЭАП акустически рассеивающей линзы. Однако, это также приведет к снижению излучаемой энергии и ослаблению принимаемой УЗ колебаний за счет затухания колебаний в линзе.
В частном случае реализации способа для расширения ДН целесообразно использование выпукло-вогнутой пьезопластины (Фиг. 3). При этом можно достичь кратного увеличения ширины ДН ЭАП без усложнения аппаратуры и конструкции искательной системы дефектоскопического комплекса.
w
n
а
Дополнительно, применение ЭАП с широкой ДН, полученной с помощью выпукло-вогнутой пьезопластины, позволяет увеличить зону Z активного взаимодействия наклонного ЭАП со сканируемой поверхностью (по сравнению Z плоской пьезопластиной идентичного размера) на 30% и более (Фиг. 3). Последнее зависит от конструктивных параметров пластины: радиуса R кривизны выпуклой пьезопластины, размера 2 и удаленности δ пьезопластины от поверхности сканирования объекта контроля (на толщину протектора) и может быть рассчитано исходя из геометрических соображений и закона преломления (Снеллиуса) акустических колебаний [2, 9].
При использовании бесконтактного ввода/приема УЗ колебаний с помощью ЭМА преобразования [13, 14] увеличение ширины ДН на требуемую величину можно добиться за счет подбора конфигурации катушек индуктора (излучаемых и приемных), располагаемых под концентратором системы намагничивания.
Работоспособность указанных выше предложений проверена путем математического моделирования и экспериментальных исследований (Фиг. 4 и 5) и не вызывает сомнений в реализации при высокоскоростном неразрушающем контроле изделий. Как видно из Фиг. 4, ширина ДН с выпукло вогнутой пьезопластиной (Фиг. 4б), измеренной на стандартном образце СО-2 [15], более чем в три раза шире, чем типовой ЭАП с плоской пьезопластиной (Фиг. 4а). Как следствие (см. Фиг. 5), размеры пачек сигналов от одного и того же дефекта в рельсе (поперечный пропил в подошве рельса высотой 5 мм), заметно (в 2-3 раза) больше при сканировании с помощью ЭАП с расширенной ДН (Фиг. 5б), чем при озвучивании типовой ЭАП.
Способ ультразвукового контроля, реализуемый в соответствии с изобретением, обеспечивает повышение достоверности контроля по сравнению с другими аналогичными способами. Он может использоваться с высокой эксплуатационной эффективностью для УЗ дефектоскопии различных объектов, в том числе рельсов. Особенно эффективно использование этого способа в мобильных диагностических средствах ультразвукового контроля железнодорожной инфраструктуры, позволяя надежно выявлять дефекты рельсов при высокой скорости передвижения диагностических средств. Это позволяет, в свою очередь, проводить диагностику рельсового пути, не прерывая штатные грузовые и пассажирские перевозки, включив мобильное диагностическое средство, выполненное, например, в виде вагона-дефектоскопа, в соответствующий состав. Указанный технический результат обеспечивается в рамках реализации назначения всей совокупностью существенных признаков, представленных в формуле.
Заявляемый способ дефектоскопии может быть использован не только при контроле рельсов, но и при дефектоскопии многих длинномерных изделий из ферромагнитных материалов: труб, стержней и прутков, буровых штанг, конвейерных лент, контактных проводов электрического тягового состава (электровозов, трамваев и троллейбусов) и др.
Таким образом, за счет новых существенных признаков (ЭАП с расширенной ДН и применения для расширения ДН выпукло-вогнутой пьезопластины или ЭМА возбуждения) достигается заявленный технический результат: повышение эффективности и достоверности контроля при высокоскоростном ультразвуковом контроле. Причем, в отличие от аналогов и прототипа [3, 4, 6, 7] - это достигается без существенного увеличения конструктивных размеров ЭАП и применения дополнительных дефектоскопических каналов.
Заявляемый способ может быть реализован, обеспечивает повышение надежности и достоверности обнаружения дефектов в объектах контроля при значительных скоростях сканирования.
Источники информации
1. Положение о системе неразрушающего контроля рельсов и эксплуатации средств рельсовой дефектоскопии в путевом хозяйстве железных дорог ОАО «РЖД» (утв. расп. ОАО «РЖД» от 26.07.2017 г. №1471/р).
2. Марков А.А., Шпагин Д.А. Ультразвуковая дефектоскопия рельсов. С-Пб, Образование-Культура, 2006, 206 с.
3. RU 2052808.
4. RU 2668941.
5. Марков А.А., Козьяков А.Б., Кузнецова Е.А. Расшифровка дефекто-грамм ультразвукового контроля рельсов. С-Пб, Образование-Культура, 2013, 284 с.
6. RU 2715885.
7. RU 2 440 568.
8. Марков А.А., Кузнецова Е.А. Дефектоскопия рельсов. Формирование и анализ сигналов. Книга 2. Расшифровка дефектограмм (практическое пособие в двух книгах. - Санкт-Петербург.: Ультра Принт, 2014.-332 с.
9. Гурвич А.К., Кузьмина Л.И. Справочные диаграммы направленности искателей ультразвуковых дефектоскопов. Киев:Техника,1980. 101 с.
10. Марков А.А. Особенности оценки условных размеров дефектов при значительных скоростях сканирования //Дефектоскопия, 1988, №3. С. 8-11.
11. RU 2725705.
12. RU 2 682 983.
13. RU 2489713.
14. Патент D 19544217 А1.
15. RU 2415388.