УСТРОЙСТВО УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ, СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ И СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО ОБСЛЕДОВАНИЯ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
ULTRASONIC FLAW DETECTION DEVICE, ULTRASONIC FLAW DETECTION METHOD AND METHOD OF NONDESTRUCTIVE INSPECTION OF NUCLEAR POWER PLANT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к устройству ультразвуковой дефектоскопии, способу ультразвуковой дефектоскопии и способу неразрушающего обследования атомной электростанции.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Дефектоскопические устройства на ультразвуковых волнах применяются, например, в медицине, при неразрушающем обследовании атомных электростанций и в подобных областях. В частности, поскольку ультразвуковое зондирование позволяет сравнительно легко обнаруживать внутренние дефекты в толще материала, оно играет важную роль в обследовании критических участков конструкционных материалов. В частности, как раскрыто в цитируемом патенте 1, для излучения ультразвуковых волн при ультразвуковом зондировании применяют пьезоэлектрический элемент.
Поскольку такой пьезоэлемент имеет сравнительно большой размер, например, 20 мм в диаметре, само устройство также получается большим. Это затрудняет зондирование узких мест или деталей сложной формы. При этом, поскольку частотная полоса ультразвуковых волн ограничена собственной частотой пьезоэлемента, она неоптимальна для таких задач, как съемка поверхности детали и подобных.
[0003] Для устранения этих недостатков предлагался, например, способ лазерной ультразвуковой дефектоскопии, раскрытый в цитируемом патенте 2.
В указанном патенте зондируемый объект облучают лазером через оптоволоконный световод, лазерный луч порождает ультразвуковые волны на поверхности зондируемого объекта, и эти волны, прошедшие сквозь зондируемый объект, принимают с помощью регистрирующего лазерного луча. Дефекты распознают по разбросу ультразвуковых волн, а глубину также можно определить частотным анализом принимаемых волн.
Иначе говоря, применение тонкого оптоволоконного световода при генерации ультразвуковых волн позволяет уменьшить габариты устройства и за счет этого устранить проблему зондирования узостей и деталей сложной формы.
[0004] Кроме того, предлагалось генерировать ультразвуковые волны лазерным светом и проводить неразрушающее обследование посредством этих волн, например, как раскрыто в цитируемом патенте 3.
В указанном патенте лазерный луч направляют в трубку, которая на одном из концов закрыта металлической пластиной и заполнена газом, а тепловое расширение газа и температурные напряжения в металлической пластине приводят к излучению наружу ультразвуковых волн.
[0005] Цитируемый патент 1: нерассмотренная японская патентная заявка №2000-28589.
Цитируемый патент 2: нерассмотренная японская патентная заявка №2005-43139
Цитируемый патент 3: публикация японского патента №2984390.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006] Изобретение, раскрытое в цитируемом патенте 2, может повлечь порчу или деформацию зондируемого объекта, поскольку лазерный луч направляют непосредственно на объект.
При этом приходится ограничивать мощность лазерного луча ниже требуемой для полноценного обследования, либо же устройство можно применять для обследования ограниченного круга объектов. Более того, невозможно обследовать области, непрозрачные для лазерного луча, например, в присутствии натрия, который применяют в качестве теплоносителя в реакторах на быстрых нейтронах.
В изобретении, раскрытом в цитируемом патенте 3, проблема порчи и деформации зондируемого объекта решена, поскольку лазерный луч непосредственно на объект не попадает. При этом требуется существенно увеличить мощность ультразвуковых волн для проведения неразрушающего обследования с их помощью. Однако, поскольку это обстоятельство не описано особо в цитируемом патенте 3, его осуществление без изменений невозможно.
К тому же настоятельно требуется специализированное устройство ультразвуковой дефектоскопии, а именно способное генерировать ультразвуковые волны оптимальной мощности или направленности под определенный тип зондируемого объекта или вид обследования, то есть, пригодное для проведения широкого спектра дефектоскопических работ.
[0007] Настоящее изобретение предпринято в свете вышеизложенного, а потому имеет своей задачей предложить устройство ультразвуковой дефектоскопии, способ ультразвуковой дефектоскопии и способ неразрушающего обследования атомной электростанции, пригодные для генерации ультразвуковых волн достаточной мощности и проведения широкого спектра дефектоскопических работ.
Другая задача - предложить устройство ультразвуковой дефектоскопии, способ ультразвуковой дефектоскопии и способ неразрушающего обследования атомной электростанции, обеспечивающие генерирование ультразвуковых волн оптимальной мощности или направленности под определенный тип зондируемого объекта или вид обследования, то есть, пригодных для проведения широкого спектра дефектоскопических работ.
[0008] Указанные задачи решаются в рамках настоящего изобретения описанным ниже образом.
Во-первых, настоящее изобретение относится к устройству ультразвуковой дефектоскопии, содержащему лазерное устройство, излучающее лазерный луч регулируемой мощности, а также блок ультразвукового генератора с излучающей диафрагмой, которая генерирует ультразвуковые волны за счет облучения ее лучом, излучаемым лазерным устройством, причем обследование проводят путем облучения зондируемого объекта ультразвуковыми волнами, испускаемыми излучающей диафрагмой блока ультразвукового генератора, и при этом излучающая диафрагма изготовлена из титана.
Во-вторых, настоящее изобретение относится к устройству ультразвуковой дефектоскопии, содержащему лазерное устройство, излучающее лазерный луч регулируемой мощности, а также блок ультразвукового генератора с излучающей диафрагмой, которая генерирует ультразвуковые волны за счет облучения ее лучом, излучаемым лазерным устройством, причем обследование проводят путем облучения зондируемого объекта ультразвуковыми волнами, испускаемыми излучающей диафрагмой блока ультразвукового генератора, и при этом излучающая диафрагма изготовлена из алюминия.
[0009] В обоих этих случаях на излучающую диафрагму направляют лазерный луч регулируемой мощности, излучаемый лазерным устройством, в результате чего она испускает ультразвуковые волны, а поскольку на зондируемый объект направляют эти волны, удается избежать порчи или деформации объекта.
Это позволяет применить лазерный луч большой мощности, а следовательно, повысить мощность испускаемых ультразвуковых волн и тем улучшить качество обследования.
Далее, поскольку полноценное обследование можно проводить даже на большом расстоянии до зондируемого объекта, можно повысить коэффициент направленности. А поскольку это позволяет уменьшить разрешающую способность, можно повысить точность обследования.
В результате тщательных исследований заявители установили, что титан и алюминий генерируют ультразвуковые волны большой мощности и применимы в качестве материала для излучающей диафрагмы. При этом излучающая диафрагма из титана или алюминия выгодно отличается от прочих материалов тем, что генерирует более мощные ультразвуковые волны при той же энергии, сообщаемой ей лазерным лучом. Такая энергоэффективность позволяет генерировать ультразвуковые волны достаточно большой мощности.
[0010] В-третьих, настоящее изобретение относится к устройству ультразвуковой дефектоскопии, содержащему лазерное устройство, излучающее лазерный луч регулируемой мощности, а также блок ультразвукового генератора с излучающей диафрагмой, которая генерирует ультразвуковые волны за счет облучения ее лучом, излучаемым лазерным устройством, причем обследование проводят путем облучения зондируемого объекта ультразвуковыми волнами, испускаемыми излучающей диафрагмой блока ультразвукового генератора, и при этом излучающая диафрагма с обращенной к лазерному лучу стороны ограничена прозрачным телом.
[0011] В результате тщательных исследований заявители установили, что мощность вырабатываемых ультразвуковых волн можно повысить, если ограничить излучающую диафрагму прозрачным телом. Это может быть обусловлено, например, таким эффектом: поскольку движение излучающей диафрагмы с обращенной к лазерному лучу стороны ограничено прозрачным телом, то когда падающий на нее лазерный луч вызывает деформацию диафрагмы, эта деформация воздействует на прозрачное тело. Далее, поскольку сила реакции прозрачного дела воздействует на излучающую диафрагму в том направлении, в котором исходят ультразвуковые волны, мощность испускаемых излучающей диафрагмой волн возрастает.
К тому же, поскольку прозрачное тело сдерживает порчу или повреждение излучающей диафрагмы лазерным лучом, можно увеличить мощность ультразвуковых волн путем повышения мощности лазерного луча.
Отметим, что в качестве прозрачного тела можно применять деталь из сапфира, кварца и подобных материалов, либо керамики из оксидов алюминия и подобных материалов.
При этом прозрачное тело и излучающая диафрагма могут быть соединены между собой, либо просто расположены смежно.
[0012] В-четвертых, настоящее изобретение относится к устройству ультразвуковой дефектоскопии, содержащему лазерное устройство, излучающее лазерный луч регулируемой мощности, а также блок ультразвукового генератора с излучающей диафрагмой, которая генерирует ультразвуковые волны за счет облучения ее лучом, излучаемым лазерным устройством, причем обследование проводят путем облучения зондируемого объекта ультразвуковыми волнами, испускаемыми излучающей диафрагмой блока ультразвукового генератора, и при этом на поверхность излучающей диафрагмы с обращенной к лазерному лучу стороны нанесено вязкое желеобразное вещество.
[0013] В результате тщательных исследований заявители установили, что мощность испускаемых ультразвуковых волн возрастает, если нанести вязкое желеобразное вещество на поверхность излучающей диафрагмы с обращенной к лазерному лучу стороны. Это может быть обусловлено, например, таким эффектом: часть колебаний излучающей диафрагмы, вызванных лазерным лучом, а именно та, которая направлена в сторону обращенной к лазеру поверхности, отражается вязким желеобразным веществом в противоположном направлении, то есть, в том направлении, в котором исходят ультразвуковые волны. Таким образом, поскольку колебания, направленные по ходу ультразвуковых волн, накладываются на отраженные колебания противоположного направления, мощность испускаемых излучающей диафрагмой волн возрастает.
При этом, поскольку вязкое желеобразное вещество легко деформируется, его можно приклеить к поверхности излучающей диафрагмы без зазоров. В этом случае, поскольку вязкое вещество отражает колебания излучающей диафрагмы по всей своей поверхности, можно эффективно передавать энергию в направлении испускания ультразвуковых волн.
Отметим, что желательно, чтобы вязкое желеобразное вещество было прозрачно. В этом случае, поскольку прозрачное вязкое вещество не препятствует прохождению лазерного луча, большая часть его энергии достигает поверхности излучающей диафрагмы, что позволяет повысить мощность испускаемых ультразвуковых волн.
При этом, не обязательно наносить вязкое желеобразное вещество на всю поверхность, достаточно покрыть область, на которую падает лазерный луч. Предпочтительно наносить вязкое вещество так, чтобы помимо облучаемой лазером области покрыть участки, на которых порождается большая часть ультразвуковых волн.
[0014] В-пятых, настоящее изобретение относится к устройству ультразвуковой дефектоскопии, содержащему лазерное устройство, излучающее лазерный луч регулируемой мощности, а также блок ультразвукового генератора с излучающей диафрагмой, которая генерирует ультразвуковые волны за счет облучения ее лучом, излучаемым лазерным устройством, причем обследование проводят путем облучения зондируемого объекта ультразвуковыми волнами, испускаемыми излучающей диафрагмой блока ультразвукового генератора, и при этом устройство ультразвуковой дефектоскопии содержит средства для регулирования диаметра лазерного луча, направляемого на излучающую диафрагму.
Кроме того, вышеописанные четыре аспекта настоящего изобретения могут быть оснащены средствами для регулирования диаметра лазерного луча, направляемого на излучающую диафрагму.
[0015] В результате тщательных исследований заявители установили, что коэффициент направленности лазерного луча зависит от его диаметра, а с изменением диаметра, даже при той же энергии, мощность испускаемых излучающей диафрагмой ультразвуковых волн изменяется, то есть, изменяется рабочий режим генерации ультразвуковых волн излучающей диафрагмы.
Вкратце, коэффициент направленности возрастает при уменьшении диаметра луча, то есть, ультразвуковые волны большой мощности можно испускать в широкой области, что желательно, например, для обследования поверхности путем ультразвуковой съемки. С другой стороны, коэффициент направленности уменьшается при увеличении диаметра луча, то есть, ультразвуковые волны большой мощности можно сконцентрировать в узкой области, что желательно, например, для объемного обследования при поиске внутренних дефектов.
Таким образом, средства регулирования диаметра луча позволяют перенастраивать единственное устройство ультразвуковой дефектоскопии на различные типы зондируемых объектов, обследуемых мест и тому подобное. При этом возможно проводить обследования различного рода, например объемное и поверхностное, то есть комплексное обследование.
[0016] При этом в вышеописанном пятом варианте средства регулирования диаметра лазерного луча могут быть скомпонованы так, чтобы позволять настраивать расстояние между излучающей диафрагмой и точкой испускания лазерного луча.
Далее, в вышеописанных случаях, лазерное устройство может быть оснащено несколькими оптоволоконными световодами различного диаметра, каждый из которых испускает лазерный луч, а средства для регулирования диаметра луча при этом скомпонованы так, чтобы выбирать один из световодов в качестве рабочего.
[0017] В-шестых, настоящее изобретение относится к способу ультразвуковой дефектоскопии, использующему лазерное устройство, излучающее лазерный луч регулируемой мощности, а также блок ультразвукового генератора с излучающей диафрагмой, которая генерирует ультразвуковые волны за счет облучения ее лучом, излучаемым лазерным устройством, средства для регулирования диаметра лазерного луча, направляемого на излучающую диафрагму, причем способ предусматривает применение средств для регулирования диаметра лазерного луча, генерацию на излучающей диафрагме ультразвуковых волн, мощность которых отвечает типу обследуемого объекта и роду обследования, и проведение обследования путем облучения зондируемого объекта этими ультразвуковыми волнами.
[0018] В рамках этого способа на излучающую диафрагму подают лазерный луч регулируемой мощности, испускаемый лазерным устройством, в результате чего излучающая диафрагма испускает ультразвуковые волны, а поскольку на зондируемый объект направляют эти волны, можно избежать его порчи или деформации.
Это позволяет применять лазерный луч большой мощности и тем самым повысить мощность генерируемых ультразвуковых волн, что положительно сказывается на качестве обследования.
При этом диаметр луча настраивают с помощью средств для регулирования диаметра луча, излучающая диафрагма генерирует ультразвуковые волны, мощность которых отвечает виду зондируемого объекта и роду обследования, а обследование проводят путем облучения зондируемого объекта этими волнами. При этом возможно проводить обследования различного рода, например поверхностное обследование путем съемки поверхности и объемное обследование для поиска скрытых дефектов, то есть комплексное обследование.
[0019] В-седьмых, настоящее изобретение относится к способу неразрушающего обследования атомной электростанции, отличающемуся тем, что обследование проводят с применением вышеописанного устройства ультразвуковой дефектоскопии, которое генерирует достаточно мощные ультразвуковые волны за счет облучения излучающей диафрагмы лазером.
[0020] Таким образом, применяя устройство ультразвуковой дефектоскопии, генерирующее достаточно мощные ультразвуковые волны за счет облучения излучающей диафрагмы лазером, можно обследовать места, непроницаемые для лазерного луча, например, в среде натрия, который служит в качестве теплоносителя в реакторах на быстрых нейтронах.
[0021] В рамках настоящего изобретения излучающая диафрагма генерирует ультразвуковые волны за счет облучения излучающей диафрагмы лазерным лучом, исходящим из лазерного устройства, а поскольку на зондируемый объект направляют эти волны, можно избежать его порчи или деформации.
Это позволяет применять лазерный луч большой мощности и тем самым повысить мощность генерируемых ультразвуковых волн, что положительно сказывается на качестве обследования.
При этом средства регулирования диаметра луча позволяют перенастраивать единственное устройство ультразвуковой дефектоскопии на различные типы зондируемых объектов, обследуемых мест и тому подобное. При этом возможно проводить обследования различного рода, например объемное и поверхностное, то есть комплексное обследование.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0022] Фиг.1 показывает блок-схему общей компоновки устройства ультразвуковой дефектоскопии согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 схематично показывает в разрезе компоновку рабочей головки согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг.3 схематично показывает компоновку системы генерации ультразвуковых волн согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг.4 схематично показывает в разрезе ультразвуковое приемное устройство согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг.5 показывает график зависимости между мощностями лазера и излучаемых ультразвуковых волн.
Фиг.6 показывает в разрезе другой вариант излучающего устройства для объемного обследования согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг.7 показывает в разрезе другой вариант излучающего устройства для объемного обследования согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг.8 показывает в разрезе другой вариант излучающего устройства для объемного обследования согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг.9 показывает блок-схему испытательного стенда.
Фиг.10 схематично показывает в разрезе строение композитного материала.
Фиг.11 показывает диаграммы коэффициентов направленности для различных диаметров луча.
Фиг.12 показывает график зависимости между мощностью сигнала и диаметром луча при постоянной входящей мощности.
Фиг.13 показывает график зависимости между мощностью сигнала и диаметром луча при постоянной входящей мощности.
Фиг.14 показывает график зависимости между мощностью сигнала и диаметром луча при постоянной входящей мощности на единицу площади.
Фиг.15 показывает график зависимости между мощностью сигнала и диаметром луча при постоянной входящей мощности на единицу площади.
Фиг.16 показывает график мощности генерируемых ультразвуковых волн для различных материалов в режиме абляции.
Фиг.17 показывает график мощности генерируемых ультразвуковых волн для различных материалов в режима низкой абляции.
Фиг.18 показывает график мощности генерируемых ультразвуковых волн для различных материалов в тепловом режиме.
Фиг.19 схематично показывает в разрезе тестовую диафрагму с присоединенной к ней вязкой деталью.
Фиг.20 показывает график мощности генерируемых ультразвуковых волн для тестовой диафрагмы с присоединенной к ней вязкой деталью.
Фиг.21 показывает график мощности генерируемых ультразвуковых волн для тестовой диафрагмы без вязкой детали.
Номерами позиций обозначены:
[0023]
1 - устройство ультразвуковой дефектоскопии
5 - лазерное устройство
17 - излучающее устройство для объемного обследования
19 - излучающее устройство для поверхностного обследования
23 - оптоволоконный световод
39 - излучающая диафрагма
51 - оптоволоконный световод
53 - приемная диафрагма
55 - средства для регулирования диаметра луча
71 - композитный материал
75 - сапфировая диафрагма
77 - деталь конструкции
81 - вязкая деталь
НАИЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0024] Ниже описывается устройство 1 ультразвуковой дефектоскопии согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения применительно к фиг.1 - фиг.5. Устройство 1 ультразвуковой дефектоскопии предназначено для ультразвукового исследования деталей в среде натрия, который служит в качестве теплоносителя в реакторе на быстрых нейтронах, а также для объемного обследования для установления внутреннего состояния и поверхностного обследования для установления состояния поверхности.
[0025] На фиг.1 показана блок-схема общей компоновки устройства 1 ультразвуковой дефектоскопии.
Устройство 1 ультразвуковой дефектоскопии содержит:
- рабочую головку 3, которая излучает и принимает ультразвуковые волны;
- лазерное устройство 5, которое подает лазерный луч для генерации ультразвуковых волн;
- приемное лазерное устройство 7, которое испускает и принимает лазерный луч для регистрации ультразвуковых волн;
- устройство 9 сбора данных, которое хранит принятые и переданные данные, а также управляет работой лазерного устройства 5 и приемного лазерного устройства 7;
- устройство 11 обработки и отображения данных, которое обрабатывает и отображает принятые и переданные данные.
[0026] Приемное лазерное устройство 7 снабжено лазерным осциллятором 6 для генерации лазерного луча, оптическим переключателем 8 для подачи лазерного луча в оптоволоконный световод и приема луча из оптоволоконного световода, лазерным интерферометром 10 для анализа интерференции между исходящим и принимаемым лучами.
[0027] На фиг.2 схематически показана в разрезе компоновка рабочей головки 3.
Рабочая головка 3 имеет корпус 13, который по существу представляет собой прямоугольный короб, присоединенный к корпусу, по существу, по центру цилиндрический ввод 15, через который заведены оптоволоконные световоды, излучающее устройство 17 для объемного обследования, размещенное в корпусе 13, излучающее устройство 19 для обследования поверхности, а также множество ультразвуковых приемных устройств 21.
[0028] Ультразвуковое излучающее устройство 17 для объемного обследования, ультразвуковое излучающее устройство 19 для обследования поверхности и ультразвуковое приемное устройство 21 имеют по существу цилиндрическую форму и установлены так, что их оси пересекают поверхность корпуса 13, к которой присоединен ввод 15, но на стороне, обращенной от ввода 15.
Множество ультразвуковых приемных устройств 21 расположено в виде матрицы (например, 10 строк и 10 столбцов) по существу с постоянным шагом.
Ультразвуковое излучающее устройство 17 для объемного обследования и излучающее устройство 19 для обследования поверхности установлены по существу по центру среди ультразвуковых приемных устройств 21.
[0029] Излучающее устройство 17 для объемного обследования и излучающее устройство 19 для обследования поверхности подключены к лазерному устройству 5 волоконно-оптическими световодами 23, как показано на фиг.2 и фиг 3.
Поскольку излучающее устройство 17 для объемного обследования и излучающее устройство 19 для обследования поверхности имеют по существу одинаковую конструкцию, ниже описывается излучающее устройство 17 для объемного обследования.
Лазерное устройство 5 содержит лазерный осциллятор 25, оптический тракт 27 и оконечный формирователь 29, который представляет собой, например, оптический переключатель, для подачи лазерного луча в волоконно-оптический световод 23.
[0030] Оптический тракт 27 снабжен парой зеркал 31, фильтром 33 нейтральной плотности и фокусировочной линзой 35.
Фильтр 33 нейтральной плотности представляет собой множество сменных фильтров, подбором которых регулируют мощность лазерного луча, то есть выходную мощность.
Фокусировочная линза 35 установлена с возможностью перемещения вдоль оптического тракта 27 таким образом, чтобы регулировать, до некоторой степени, диаметр лазерного луча, направляемого в волоконно-оптический световод 23 (регулирование диаметра луча, направляемого на излучающую диафрагму 39, описано ниже).
[0031] Ультразвуковое излучающее устройство 17 для объемного обследования имеет:
- полый по существу цилиндрический корпус 37,
- излучающую диафрагму 39, присоединенную к одному из торцов корпуса 27,
- термостойкий демпфер 41,
- упорное кольцо 43, установленное по другую сторону демпфера и поддерживающее излучающую диафрагму 39,
- муфту 45 - соединительную деталь, расположенную вслед за упорным кольцом 43, которая удерживает волоконно-оптический световод 23 в определенном положении,
- эксцентрик 47, прижимающий муфту 45 и расположенный вслед за ней,
- резьбовую пробку 49, удерживающую перечисленные детали и вкручиваемую в противоположный конец корпуса 37.
Излучающее устройство 17 для объемного обследования и излучающее устройство 19 для обследования поверхности установлены так, что излучающая диафрагма 39 обращена от ввода 15 корпуса 13.
[0032] На фиг.4 схематично показана в разрезе конструкция ультразвукового приемного устройства 21.
Ультразвуковое приемное устройство 21 имеет по существу цилиндрическую форму и присоединено одним концом к волоконно-оптическому световоду 51, который соединяет его с оптическим переключателем 8. Приемная диафрагма 53 установлена на другом конце приемного устройства 21.
Ультразвуковые приемные устройства 21 установлены так, что их приемные диафрагмы 53 обращены от ввода 15 корпуса 13.
[0033] Отметим, что излучающее устройство 17 для объемного обследования и излучающее устройство 19 для обследования поверхности в дополнение к фокусирующей линзе 35 могут быть оборудованы средствами 55 для регулирования диаметра лазерного луча, как показано на фиг.6 - фиг.8.
Ультразвуковое излучающее устройство 17 для объемного обследования, показанное на фиг.6, снабжено пружиной 57 сжатия, которая поджимает муфту 45 в направлении резьбовой пробки 49. При выкручивании пробки 49 муфта 45 под давлением пружины перемещается по оси в том же направлении. При вкручивании пробки 49 муфта 45 перемещается в сторону излучающей диафрагмы 39, сжимая пружину 57.
Таким образом можно изменять расстояние между торцом муфты 45 и излучающей диафрагмы 39. С изменением этого расстояния меняется диаметр пятна лазерного луча на излучающей диафрагме 39, в зависимости от угла расхождения луча, исходящего с торца муфты 45.
Отметим, что конструкция, служащая для изменения расстояния между срезом волоконно-оптического световода 51 (например, в торце муфты 45) и излучающей диафрагмой 39, не ограничивается показанным на фиг.6 вариантом, возможны иные конструкции.
[0034] Ультразвуковое излучающее устройство 17 для объемного обследования, показанное на фиг.7, имеет множество волоконно-оптических световодов 23, различного диаметра. Поскольку диаметр луча, исходящего из волоконно-оптического световода 23, зависит от диаметра световода, можно менять диаметр падающего на диафрагму 39 луча выбором волоконно-оптического световода 23 для подключения к лазерному устройству 5.
Ультразвуковое излучающее устройство 17 для объемного обследования, показанное на фиг.8, снабжено выпуклой линзой 59, которая установлена с возможностью осевого перемещения между муфтой 45 и излучающей диафрагмой 39. При этом муфта 45, подобно показанной на фиг.6, прижата пружиной 57 к резьбовой пробке 49.
Осевое перемещение выпуклой линзы 59 изменяет фокус лазерного луча, в результате чего изменяется диаметр пятна луча на излучающей диафрагме 39.
Отметим, что на фиг.8 диаметр пятна луча на излучающей диафрагме 39 меняют осевым перемещением выпуклой линзы 59. Однако это не единственный возможный вариант. Например, можно перемещать по оси муфту 45, либо же можно перемещать по оси как муфту 45, так и выпуклую линзу 59.
[0035] Когда лазерный луч падает на излучающую диафрагму 39, она генерирует ультразвуковые волны.
При этом мощность генерируемых волн зависит от выходной мощности лазера или плотности энергии в лазерном луче, как показано сплошной линией на графике на фиг.5.
В диапазоне, где мощность лазерного луча, плотность энергии в луче или подобный показатель невелик (диапазон малых энергий), энергия лазерного луча расходуется на нагрев излучающей диафрагмы и подобные процессы, а потому мощность излучаемых ультразвуковых волн мала. Этот режим называется тепловым режимом.
[0036] С ростом мощности лазерного луча, плотности энергии в луче или подобного показателя мощность излучаемых ультразвуковых волн резко возрастает. Поскольку излучающая диафрагма 39 при этом разрушается под действием лазерного луча, этот режим называется режимом абляции.
При дальнейшем росте мощности лазерного луча, плотности энергии в луче или подобного показателя интенсивность разрушения излучающей диафрагмы 39 возрастает, вызывая ее частичное испарение, в результате чего лазерный луч рассеивается или поглощается, что влечет за собой падение доли энергии луча, достигающей излучающей диафрагмы 39.
Когда это случается, снижается коэффициент мощности испускаемых ультразвуковых волн, а с ним и энергоэффективность лазерного луча. Этот режим далее называется режимом газового пробоя.
[0037] Таким образом, с учетом энергоэффективности и разрушения излучающей диафрагмы 39 мощность лазерного луча (выходную мощность лазера, плотность энергии в луче или подобный показатель) подбирают так, чтобы работать в режиме абляции.
[0038] Материал, размеры и прочие характеристики излучающей диафрагмы 39 подбирают с учетом мощности лазерного луча на выходе лазерного устройства 5, а также мощности и частотных характеристик испускаемых ей ультразвуковых волн. Для повышения энергоэффективности желательно, чтобы излучающая диафрагма 39 была изготовлена из материала с высокой эффективностью поглощения лазерного излучения.
[0039] Поскольку свойства материала и характеристики излучающей диафрагмы 39 заметно влияют на производительность устройства 1 ультразвуковой дефектоскопии, в их отношении были проведены испытания.
На фиг.9 показан испытательный стенд, на котором проводили испытания.
В качестве лазерного осциллятора 25 применялся лазер на алюмоитриевом гранате «Surelite I-10» производства Continuum, Inc. Лазерный осциллятор 25 был настроен на выходную энергию 400 мДж, частоту импульсов 10 Гц, длительность импульса 10 нс.
Тестовая диафрагма 65 установлена в держателе 63, размещенном на торце заполненной водой цистерны 61. Ультразвуковые волны генерируют путем подачи лазерного луча от осциллятора 25 на тестовую диафрагму 65 и регистрируют приемным пьезоэлементом 67, а их мощность измеряют по осциллографу 69.
[0040] В качестве материалов для тестовых диафрагм 65 использовались нержавеющая сталь (SUS), титан (Ti), алюминий (Al), медь (Сu) и олово (Sn). Тестовая диафрагма 65 представляет собой круглую пластину диаметром 25 мм и толщиной 0,05 мм. В случае нержавеющей стали применялась одна пластина толщиной 0,03 мм для определения влияния толщины пластины.
Кроме того, композитный материал 71, показанный на фиг.10, также использовался в качестве тестовой диафрагмы 65. Композитный материал 71 представляет собой излучающую диафрагму 73 из нержавеющей стали толщиной 0,03 мм, на обращенную к лазеру поверхность которой напаяна сапфировая диафрагма 75, т.е. прозрачное тело толщиной 1 мм. Композитный материал 71 изготовлен в виде круглой пластины диаметром 30 мм.
В случае композитного материала 71 на соединительную поверхность диафрагмы 73 из нержавеющей стали напылен состав Cr-Ni-Au. В свою очередь, соединительная поверхность сапфировой диафрагмы 75 покрыта металлом. Затем получают композитный материал 71, сваривая соединительные поверхности диафрагм 73 и 75 припоем Au-Su. Слой припоя имеет толщину по существу 2 мкм.
[0041] На фиг.11 показано семейство кривых диаграммы коэффициента направленности для различных диаметров лазерного луча. Отметим, что для наглядной демонстрации коэффициента направленности мощность сигнала (ультразвуковых волн) нормализована.
На графике видно, что коэффициент направленности высокий для луча диаметром 0,5 мм, низкий для луча диаметром 4 мм (ультразвуковые волны большой мощности сконцентрированы в ограниченной области) и средний для луча диаметром 2 мм. Иначе говоря, оказалось, что возрастает с уменьшением диаметра лазерного луча.
Это обусловлено, как можно полагать, тем, что интенсивность абляции на единицу площади возрастает с уменьшением диаметра луча.
[0042] На фиг.12 и фиг.13 показаны семейства кривых диаграмм зависимости коэффициента направленности от интенсивности для различных диаметров луча при постоянной входящей энергии малой интенсивности (тепловой режим).
Как видно на графиках, мощность сигнала для луча диаметром 2 мм в целом выше мощности при луче 4 мм, примерно в 4 раза на фиг.12 и в 2,4 раза на фиг.13.
Иначе говоря, с уменьшением диаметра луча при постоянной входящей энергии растет мощность излучаемых ультразвуковых волн, то есть растет эффективность преобразования энергии.
[0043] На фиг.14 и фиг.15. показаны семейства кривых диаграмм зависимости коэффициента направленности от интенсивности для различных диаметров луча при постоянной входящей энергии на единицу площади.
Как видно на графиках, мощность сигнала в целом выше для луча диаметром 4 мм, чем для луча 2 мм, примерно в 1,32 раза на фиг.14 и в 1,14 раз на фиг.15.
Иначе говоря, с увеличением диаметра луча при постоянной входящей энергии на единицу площади растет мощность излучаемых ультразвуковых волн, то есть растет эффективность преобразования энергии.
Таким образом, установлено, что диаметр лазерного луча заметно влияет на энергоэффективность.
[0044] На фиг.16 - фиг.18 показаны графики мощности ультразвуковых волн для различных материалов. Фиг.16 в целом демонстрирует режим абляции (по существу 80 мДж и более). Фиг.17 показывает нижний диапазон режима абляции (приблизительно 50 мДж). Фиг.18 показывает тепловой режим (25 мДж и менее).
На каждом графике кривая измеренных результатов для композитного материала 71 показана штрихпунктирной линией.
[0045] В режиме абляции, как показано на фиг.16, алюминий демонстрирует наивысшую мощность излучаемых ультразвуковых волн (наибольшая эффективность преобразования энергии), за ним следуют титан и нержавеющая сталь. При этом для нержавеющей стали испытывались тестовые диафрагмы 65 различной толщины, но не было обнаружено значительной разницы в мощности ультразвуковых волн в зависимости от толщины.
В случае с оловом в ходе испытаний образовалось отверстие в центре тестовой диафрагмы 65. В силу своей мягкости олово было признано непригодным для практического применения.
Было установлено, что нержавеющая сталь и медь также способны генерировать ультразвуковые волны достаточной для практического применения мощности.
Мощность ультразвуковых волн, испускаемых композитным материалом 71, примерно в 1,6 раз превышала таковую для алюминия и более чем в 2 раза таковую для нержавеющей стали, которая входит в состав композитного материала, что показывает высокую эффективность преобразования энергии.
Поверхность сапфирового стекла плавится при энергиях 300 мДж и выше, повреждая композитный материал 71, а мощность ультразвуковых волн резко падает. В этой области лежит верхний предел применимости композитного материала 71 с сапфировым стеклом.
[0046] В нижнем диапазоне режима абляции (фиг.17) олово демонстрирует наибольшую мощность испускаемых ультразвуковых волн, за ним следуют алюминий и титан.
Мощность ультразвуковых волн, испускаемых композитным материалом 71, по существу равна таковой для олова и алюминия. Однако в противоположность нержавеющей стали, входящей в состав композитного материала 71, мощность испускаемых ультразвуковых волн была в 10 и более раз выше.
В тепловом режиме (фиг.18) олово и титан предпочтительны. Мощность ультразвуковых волн, испускаемых композитным материалом 71, примерно в 10 раз превышает таковую для однородного материала (см. фиг.17).
[0047] Алюминий и титан, демонстрирующие лучшую энергоэффективность в режиме абляции, где достигается требуемая на практике мощность излучаемых ультразвуковых волн, признаны пригодными в качестве материалов для изготовления излучающей диафрагмы 39.
При этом композитный материал 71 показал еще большую эффективность.
Поскольку обращенная к лазеру сторона диафрагмы 73 из нержавеющей стали ограничена в своем перемещении сапфировой диафрагмой 75, то когда диафрагма 73 деформируется под действием лазерного луча, эта деформация воздействует на сапфировую диафрагму 75. Сила реакции сапфировой диафрагмы 75 действует на диафрагму 73 в направлении испускания ультразвуковых волн, в результате чего мощность испускаемых диафрагмой 73 волн возрастает.
При этом, поскольку сапфировая диафрагма 75 снижает повреждение диафрагмы 73 из нержавеющей стали лазерным лучом, можно увеличить мощность испускаемых ультразвуковых волн путем повышения мощности лазерного луча.
[0048] В конструкции композитного материала 71 диафрагма 73 из нержавеющей стали и сапфировая диафрагма 75 спаяны. Однако способы соединения не ограничиваются пайкой: можно использовать иные подходящие способы, либо расположить диафрагмы смежно без соединения. Этого достаточно, коль скоро сапфировая диафрагма 75 расположена так, чтобы ограничивать перемещение диафрагмы 73 из нержавеющей стали.
Материал прозрачного тела, входящего в состав композитного материала 71, не ограничивается сапфировым стеклом. Можно использовать керамические материалы, такие как пленка оксидов алюминия, кварцевое стекло или подобные материалы.
Вместо диафрагмы 73 из нержавеющей стали можно использовать диафрагму из алюминия, титана, меди, олова или подобного материала.
[0049] Поверхность излучающей диафрагмы 39 может быть покрыта, например, пленкой оксидов железа или алюминия. Такие оксидные пленки могут способствовать поглощению лазерного излучения и уменьшать порчу или повреждение излучающей диафрагмы 39.
[0050] В качестве тестовой диафрагмы 65 также испытывалась конструкция, показанная на фиг.19. Такая диафрагма представляет собой, например, диафрагму из нержавеющей стали толщиной 0,02 мм, на одну из поверхностей которой нанесен вязкий элемент 81 (вязкий материал), а именно, на сторону, обращенную к лазеру. Диафрагма 73 из нержавеющей стали представляет собой круглую пластину диаметром 30 мм.
6
В качестве вязкого элемента 81 служит, например, гель марки «Pyrogel GR 100» производства американской компании SONOTECH Inc. Это контактная среда, применяемая в качестве связующего агента. Основным компонентом вязкой детали 81 является глицерин, деталь прозрачна, имеет желеобразную консистенцию и работает в широком диапазоне температур от -45.6°С до 427°С. Вязкость составляет 4×10 сП или выше, нанесенное вещество достаточно сложно удалить.
Вязкую деталь 81 наносят вручную до толщины по существу 1 мм в области пятна лазерного луча и вокруг.
[0051] Были выполнены измерения зависимости мощности излучаемых ультразвуковых волн по времени при входящей энергии лазера 10 мДж и диаметре луча 2 мм для тестовой диафрагмы 65 с вязкой деталью 81 и диафрагмы 65 (диафрагмы 73 из нержавеющей стали толщиной 0,02 мм) без вязкой детали 81.
График на фиг.20 показывает результаты измерений для тестовой диафрагмы 65 с вязкой деталью 81. График на фиг.21 показывает результаты для одной только диафрагмы 73 из нержавеющей стали.
Как видно из графиков, ультразвуковые волны, излучаемые тестовой диафрагмой 65 с вязкой деталью 81, по мощности примерно в 20 раз больше по сравнению с одной только диафрагмой 73, и при этом имеют резкий фронт.
[0052] Часть колебаний диафрагмы 73 из нержавеющей стали, вызванных лазерным лучом, а именно та, которая направлена в сторону обращенной к лазеру поверхности, отражается вязкой деталью 81 в противоположном направлении, то есть, в том направлении, в котором исходят ультразвуковые волны. Таким образом, поскольку колебания, направленные по ходу ультразвуковых волн, накладываются на отраженные колебания противоположного направления, мощность волн, испускаемых диафрагмой 73 из нержавеющей стали, возрастает.
При этом, поскольку вязкая деталь 81 легко деформируется, ее можно приклеить к поверхности диафрагмы 73 без зазоров. В этом случае, поскольку вязкая деталь отражает колебания излучающей диафрагмы по всей своей поверхности, можно эффективно передавать энергию в направлении испускания ультразвуковых волн.
[0053] Поскольку прозрачная вязкая деталь 81 не препятствует прохождению лазерного луча, большая часть его энергии достигает диафрагмы 73 из нержавеющей стали, что позволяет повысить мощность излучаемых ультразвуковых волн.
Не требуется, чтобы вязкая деталь 81 покрывала всю поверхность диафрагмы, достаточно покрыть пятно лазерного луча. Предпочтительно наносить вязкую деталь 81 так, чтобы покрыть окрестности пятна, в которых генерируется основная часть ультразвуковых волн.
Здесь описаны результаты испытаний излучающей диафрагмы 39 из нержавеющей стали, однако мощность излучаемых ультразвуковых волн можно тем же способом повысить для диафрагм из алюминия, титана, меди, олова и подобных материалов.
[0054] Ниже описан принцип действия устройства 1 ультразвуковой дефектоскопии согласно вышеперечисленным вариантам осуществления настоящего изобретения.
Рабочую головку 3 наводят на объект исследования, а именно на деталь 77 конструкции (исследуемый объект). При объемном обследовании с целью обнаружения внутреннего дефекта 79 в толще детали 77 конструкции используют излучающее устройство 17 для объемного обследования.
Лазерный осциллятор 25 генерирует лазерный луч, который подают в оконечный формирователь 29 по оптическому тракту 27. Оконечный формирователь 29 преобразует луч таким образом, чтобы он мог проследовать по оптоволоконному световоду 23 в излучающее устройство 17 объемного обследования. Такой луч, пройдя по оптоволоконному световоду 23, падает из муфты 45 на излучающую диафрагму 39.
[0055] Когда лазерный луч падает на излучающую диафрагму 39, она генерирует ультразвуковые волны.
[0056] Таким образом, ультразвуковые волны С, генерируемые излучающей диафрагмой 39 излучающего устройства 17 объемного обследования, исходят в направлении детали 77 конструкции.
Ультразвуковые волны С настроены по частоте преимущественно на диапазон 2-5 МГц. То есть, все условия, такие как материал и размеры излучающей диафрагмы 39, мощность лазерного устройства 5 и прочие, подобраны так, чтобы частоты ультразвуковых волн С находились преимущественно в диапазоне 2-5 МГц.
[0057] Ультразвуковые волны С, падающие на деталь 77 конструкции, отражаются ей в направлении рабочей головки 3, заставляя колебаться приемные диафрагмы 53 отдельных ультразвуковых приемных устройств 21. Если в детали 77 конструкции имеется дефект 79, волны С отражаются от него, в результате чего имеет место сдвиг фазы колебаний диафрагм 53 относительно наперед заданной.
Лазерный луч, генерируемый осциллятором 6 приемного лазерного устройства 7, направляют на приемную диафрагму 53 через оптический переключатель 8 и волоконно-оптические световоды 51. Лазерный луч отражается от приемной диафрагмы 53 и возвращается в обратном порядке в интерферометр 10.
[0058] При вибрации приемной диафрагмы 53 длина хода лазерного луча от осциллятора до интерферометра 10 меняется. Эти изменения обнаруживают за счет интерференции между отраженным лучом и лучом лазерного осциллятора 6.
Эти данные сохраняют в устройстве 9 сбора данных, а устройство 11 обработки и отображения данных обрабатывает сохраненные данные, распознает наличие и местонахождение или отсутствие дефекта 79 и отображает результаты.
[0059] Далее, при обследовании состояния поверхности детали 77 конструкции применяют излучающее устройство 19 для обследования поверхности.
В этом случае ультразвуковые волны С, испускаемые излучающей диафрагмой 39 излучающего устройства 19 для обследования поверхности, настроены по частоте преимущественно на диапазон 10 МГц. То есть, все условия, такие как материал и размеры излучающей диафрагмы 39, мощность лазерного устройства 5 и прочие, подобраны так, чтобы частота ультразвуковых волн С преимущественно составляла 10 МГц.
[0060] При такой частоте ультразвуковые волны С отражаются от поверхности, не заходя вглубь детали 77 конструкции, за счет чего можно обследовать состояние поверхности.
Поскольку принцип такого обследования сходен с принципом объемного обследования, избыточные подробности опускаются.
Таким образом, поскольку устройство 1 ультразвуковой дефектоскопии оснащено излучающим устройством 17 для объемного обследования и излучающим устройством 19 для обследования поверхности, генерирующими ультразвуковые волны С различной частоты, то используя их попеременно можно посредством единственного устройства производить обследование двоякого рода, объемное и обследование поверхности, то есть комплексное обследование.
Таким образом, точность обследования, производительность и прочие характеристики можно улучшить, используя устройство 1 ультразвуковой дефектоскопии с излучающими диафрагмами 39, оптимальными по типу детали 77 конструкции и роду обследования.
[0061] При этом излучающая диафрагма 39 генерирует ультразвуковые волны С за счет облучения ее лазерным лучом, исходящим из лазерного устройства 5, а поскольку деталь 77 конструкции облучают волнами С, можно избежать порчи и деформации детали 77.
Это позволяет задействовать лазерный луч большой мощности и тем самым повысить мощность генерируемых ультразвуковых волн С, что положительно сказывается на качестве обследования.
При этом, поскольку удовлетворительное обследование можно проводить даже с большого расстояния до детали 77 конструкции, угол расхождения луча может быть большим. Это позволяет понизить разрешающую способность и тем самым повысить точность обследования.
[0062] Далее, за счет использования оптоволоконных световодов 23 и 51 для передачи лазерного луча можно уменьшить габариты излучающего устройства 17 для объемного обследования и излучающего устройства 19 для обследования поверхности и тем самым уменьшить общие габариты устройства 1 ультразвуковой дефектоскопии.
При этом, поскольку обследование производят посредством ультразвуковых волн С, можно проводить обследование даже в местах, непроницаемых для лазерного луча, например, в среде натрия, который служит в качестве теплоносителя в реакторе на быстрых нейтронах.
[0063] Как показано на фиг.6 - фиг.8, если излучающее устройство оснащено средствами 55 для регулирования диаметра луча, можно регулировать диаметр пятна луча на излучающей диафрагме 39.
Например, уменьшая диаметр луча и повышая таким образом коэффициент направленности, можно проводить обследование поверхности путем ее съемки. И наоборот, увеличивая диаметр луча и понижая коэффициент направленности, можно проводить объемное обследование для поиска внутренних дефектов.
Таким образом, если оснастить излучающее устройство 17 для объемного обследования средствами 55 регулирования диаметра луча, оно может исполнять не только свои собственные функции, но и служить вместо излучающего устройства 19 для обследования поверхности. Таким образом, например, можно обойтись без устройства 19. Иначе говоря, можно проводить обследование двоякого рода, объемное и обследование поверхности, то есть комплексное обследование, используя только излучающее устройство 17 для объемного обследования.
Например, можно менять коэффициент направленности деформацией излучающей диафрагмы 39, придавая ее поверхности неправильную форму.
[0064] Отметим, что настоящее изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления. Можно предпринять различные модификации, не отклоняясь от сущности настоящего изобретения.
Например, не обязательно одновременно иметь излучающее устройство 17 для объемного обследования и излучающее устройство 19 для обследования поверхности. В зависимости от поставленной задачи может быть предусмотрено только одно из них.