l壱 Министерство образования Российской Федерации
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕСИТЕТ
нефти и газа имени И.М.Губкина
• В.А. Лукьянов, Е.В.Петрусенко
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ТОЛЩИНОМЕТРИЯ И ДЕФЕКТОСКОПИЯ
• Методические указания к лабораторной работе
по курсу «Диагностика и контроль оборудования нефтегазопереработки»
l壱 Под редакцией проф. А.И. Владимирова
• Москва 2002
• УДК 532.529.5
l壱 В.А. Лукьянов, Е.В. Петрусенко
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ТОЛЩИНОМЕТРИЯ И ДЕФЕКТОСКОПИЯ.
М.: РГУ нефти и газа, 2002, 13 с.
Методические указания к лабораторной работе по курсу «Диагностика и контроль оборудования нефтегазопереработки» предназначены для ознакомления студентов с технологией ультразвуковой толщинометрии и дефектоскопии, с назначением и областью применения ультразвуковых преобразователей дефектоскопа. Они включают описание устройства, назначения и принципа действия ультразвуковых преобразователей, а также методики поиска внутренних дефектов с помощью прямого и наклонного преобразователя.
Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению 657300 «Оборудование и агрегаты нефтегазового производства» специальности «Оборудование нефтегазопереработки».
Рецензент – заведующий кафедрой транспорта и хранения нефти и газа РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина профессор, д.т.н. Писаревский В.М.
У Российский государственный университет нефти и газа им. И.М.Губкина, 2002
1. Цель лабораторной работы
1. Изучение технологии ультразвуковой толщинометрии и дефектоскопии с помощью прямого датчика-преобразователя.
2. Изучение технологии ультразвуковой дефектоскопии с помощью наклонного датчика-преобразователя.
3. Определение координат отверстий внутри металлических образцов.
2. Теоретические основы
2.1. Ультразвуковые преобразователи.
Для возбуждения и приёма ультразвуковых колебаний используют электроакустические преобразователи.
Генерация и регистрация ультразвуковых волн в электроакустических преобразователях основана на так называемом пьезоэлектрическом эффекте.
Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в поляризации материала при воздействии на него растягивающими или сжимающими нагрузками. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в образовании сжимающих или растягивающих нагрузок при поляризации материала.
Иллюстрация возникновения прямого пьезоэлектрического эффекта приведена на рис. 1.
Рис. 1. Прямой пьезоэлектрический эффект.
Пьезоэлектрическими свойствами обладают некоторые керамические материалы, например, цирконат-титана свинца или титанат бария.
Поверхности пьезоэлемента металлизированы и являются электродами. При подаче на них электрического напряжения пластина изменяет свою толщину вследствие действия обратного пьезоэлектрического эффекта. Если напряжение знакопеременно, то пластина колеблется в такт этим изменениям, создавая в окружающей среде упругие колебания. При этом пластина работает как излучатель и частота её колебаний соответствует частоте прикладываемого напряжения.
Если пьезоэлектрическая пластина воспримет импульс давления, то на её обкладках, вследствие прямого пьезоэлектрического эффекта появятся заряды, величина которых может быть измерена. В этом случае пьезопластина работает как приёмник.
Конструкции основных типов ультразвуковых преобразователей представлены на рис. 2.
Различают прямые, излучающие в контрольный объект продольные волны нормально к поверхности (рис. 2 а, в), и наклонные (рис. 2 б), с помощью которых в изделии возбуждаются поперечные, поверхностные, нормальные и продольные волны.
По конструкции преобразователи подразделяют на раздельные, которые предназначены только для генерации или приёма ультразвуковых волн (рис. 2 а, б), совмещённые, у которых один пьезоэлемент служит излучателем и приёмником и раздельно-совмещённые, имеющие два пьезоэлемента в одном корпусе (рис. 2 в).
В зависимости от геометрических размеров объекта, искомых дефектов, типа материала, схемы контроля могут быть использованы наклонные преобразователи с углом ввода от 40° до 75° и рабочей частотой от 1 до 5 МГц. Эти преобразователи позволяют генерировать частотные колебания, являющиеся для объекта контроля источником поперечных ультразвуковых волн, скорость распространения которых в стали составляет около 3250 м/с.
Рис. 2. Конструкции основных типов ультразвуковых преобразователей.
а - прямой, б—наклонный (призматический), в—раздельно-совмещенный (РС); 1 - корпус; 2—демпфер, 3 — пьезопластина, 4—защитное донышко (протектор), 5 — призма, 6 — токоподвод, 7 — акустический экран.
Прямые преобразователи используются в основном для определения толщины изделий.
Наклонные преобразователи используются в случаях, когда установить датчик-преобразователь непосредственно над контролируемой поверхностью не представляется возможным из-за конструктивных особенностей объекта контроля (например, сварные соединения, угловые соединения, поверхности со сложным профилем), или из-за его повышенной шероховатости. Максимальная шероховатость поверхности (Rz) для применения ультразвукового контроля не должна превышать 40 мкм.
Для определения внутренних дефектов в объекте контроля в основном используются наклонные преобразователи, поскольку они позволяют эффективно сканировать объект контроля по вертикали. Прямые преобразователи не в полной мере отвечают этому назначению, поскольку не позволяют определять наличие «нижних дефектов» под «верхними дефектами». Сигнал отражается от «верхнего дефекта» и не позволяется зафиксировать «нижний дефект» (рис. 4). При использовании наклонного преобразователя возможно, перемещая его по горизонтальной поверхности, сканировать дефекты, расположенные в вертикальной плоскости (рис. 4).
Рис. 4. Определение координат отверстий с помощью прямого (а) и наклонного (б) преобразователя.
1 – дефекты; 2 – прямой преобразователь; 3 – наклонный преобразователь;
4 – риска на наклонном преобразователе;
Н – глубина залегания дефекта; L – расстояние до дефекта по горизонтали;
Х – полное расстояние до дефекта; a – угол ввода преобразователя.
2.2. Методы проведения ультразвукового контроля.
Наиболее распространённы на практике эхоимпульсный и теневой методы ультразвукового контроля.
Эхоимпульсный метод (рис. 5, 6) заключается в прозвучивании изделия короткими импульсами ультразвуковых колебаний и регистрации эхосигналов, отражённых от дефекта и идущих к приёмнику. Признаком дефекта является появление эхосигнала на экране дефектоскопа. При этом чем больше дефект, тем больше амплитуда эхосигнала.
Этот метод наиболее широко распространён из-за простоты реализации, возможности одностороннего доступа к изделию, независимости результатов контроля от конфигурации и состояния противоположной (донной) поверхности, а также из-за высокой точности в определении координат дефектов. Основным недостатком метода является наличие значительной «мёртвой» зоны в металле под пьезоэлектрическим преобразователем, что не позволяет выявлять в объекте контроля подповерхностные дефекты.
Рис. 5. Схема обнаружения дефектов эхоимпульсным методом с помощью прямого раздельно-совмещённого преобразователя.
1 – ультразвуковые импульсы, отражающиеся от донной поверхности; 2 – ультразвуковые импульсы, отражающиеся от дефекта; 3 – А-развёртка на экране дефектоскопа; 4 – дефект; У—усилитель, Г—генератор.
Рис. 6. Схема обнаружения дефектов эхоимпульсным методом с помощью наклонного раздельно-совмещённого преобразователя.
1 – ультразвуковые импульсы, отражающиеся от донной поверхности;
2 – ультразвуковые импульсы, отражающиеся от дефекта;
3 – А-развёртка на экране дефектоскопа;
4 – дефект; У—усилитель, Г—генератор
I – положение датчика-преобразователя, фиксирующего наличие дефекта;
II – положение датчика-преобразователя, фиксирующего донный сигнал.
Теневой метод (рис. 7) реализуется путём сквозного прохождения ультразвука через изделие. При этом используют два соосно размещённых пьезоэлектрических преобразователя (ПЭП) (излучатель и приёмник), а о наличии дефектов судят по пропаданию или уменьшению амплитуды сквозного сигнала. Недостатками метода являются необходимость двухстороннего доступа к изделию, а также использование сложной механической системы соосного фиксирования датчиков. К преимуществам следует отнести слабую зависимость амплитуды сигнала от ориентации дефекта, высокую помехоустойчивость и отсутствие «мёртвой» зоны.
Рис. 7. Схема обнаружения дефектов теневым методом с помощью прямого раздельного преобразователя.
1 – ультразвуковые импульсы, проходящие до донной поверхности; 2 – ультразвуковые импульсы, прерывающиеся на дефекте; 3 – изображение ослабления донного сигнала на экране дефектоскопа, 4 – дефект; У—усилитель, Г—генератор
3. Порядок проведения работы.
Целью проведения испытаний является определение координат внутренних отверстий в контрольных образцах. В качестве контрольных образцов используются бруски из стали марки Ст3 размером 105х27х43 мм. Все отверстия имеют диаметр 4 мм и являются сквозными.
Координаты отверстий следует нанести на чертёж бруска. Пример оформления результатов испытаний приведён на рис. 8. Расстояния до дефекта могут быть указаны как до точки отражения в дефекте (в этом случае они совпадают с показаниями дефектоскопа), так и до центра отверстия (в этом случае следует учитывать расстояние между центром отверстия и точкой отражения).
Рис. 8. Пример оформления результатов испытаний.
3.1. Определение координат отверстий в контрольных образцах прямым раздельно-совмещённым преобразователем.
Порядок проведения контроля состоит в следующем:
1. Подсоедините к блоку дефектоскопу прямой совмещённый датчик-преобразователь LL017.
2. Подготовьте дефектоскоп к работе. Порядок работы с дефектоскопом и назначение функциональных клавиш описано в лабораторной работе ?1 «Изучение назначения, принципа действия и характеристик ультразвукового дефектоскопа».
3. Установите брусок таким образом, чтобы грани, закрытые полимерным покрытием, располагались в вертикальной плоскости.
4. Нанесите слой смазывающей жидкости на верхнюю поверхность стального бруска.
5. Установите датчик-преобразователь на верхнюю поверхность бруска и, перемещая датчик, произведите сканирование объёма бруска. Скорость сканирования – не более 150 мм/мин.
6. По факту появления на экране дефектоскопа А-развёртки и показаниям толщиномера (в правом нижнем углу экрана дефектоскопа «Х= ») определите наличие и координаты внутренних отверстий. Ось отверстия определяется по координате минимального значения толщины.
7. Повторите процедуру сканирования не менее двух раз.
8. Переверните образец на 180° относительно горизонтальной оси.
9. Повторите процедуры, описанные в пп. 4ё7 параграфа 3.1.
10. Нанесите на чертёж образца (рис. 8) координаты отверстий.
11. 3.2. Определение координат отверстий в контрольных образцах наклонным раздельно-совмещённым преобразователем.
12. Порядок проведения контроля состоит в следующем:
13. Подсоединить к блоку дефектоскопу наклонный датчик-преобразователь ПКН 5.0-50°.
14. Подготовьте дефектоскоп к работе. В режиме «НАСТРОЙКА» выберите номер конфигурации, соответствующей характеристикам данного датчика-преобразователя.
15. Установите брусок таким образом, чтобы грани, закрытые полимерным покрытием, располагались в вертикальной плоскости.
16. Нанесите слой смазывающей жидкости на верхнюю поверхность стального бруска.
17. Установите датчик-преобразователь на верхнюю поверхность бруска и, перемещая датчик, произведите сканирование объёма бруска. Скорость сканирования – не более 150 мм/мин.
18. Зафиксируйте на экране дефектоскопа появление А-развёртки.
19. Нажмите «ВВОД» на панели дефектоскопа. Дефектоскоп при этом переходит в режим работы «СУММА», в котором осуществляется запоминание всех значений эхо-сигналов от дефекта-отражателя. При сканировании датчиком околодефектной зоны на экране дефектоскопа отображается фигура в виде неправильной пирамиды. Координата центра пирамиды соответствует координате центра цилиндрического отверстия.
20. Зафиксируйте координаты центра дефекта по показаниям в правом нижнем углу экрана дефектоскопа: «Х= »; «L= »; «H= », где
21. Х – расстояние до дефекта-отражателя по прямой;
22. L – расстояние до дефекта-отражателя по горизонтали;
23. Н – расстояние до дефекта-отражателя по вертикали (глубина залегания).
24. Расстояние отсчитывается от риски, нанесённой на датчике-преобразователе.
25. Выйдите из режима «СУММА» посредством двухкратного нажатия клавиши «СТОП» на панели дефектоскопа.
26. Повторите процедуру сканирования не менее двух раз при перемещении датчика в одну и ту же сторону.
27. Поменяйте направление сканирования датчиком-преобразователем на противоположенное и повторите процедуры, описанные в пп. 5ё11 параграфа 3.2.
28. При наличии сомнений в точности проведения замеров переверните образец на 180° относительно горизонтальной оси и повторите процедуры, описанные в пп. 4ё12 параграфа 3.2.
29. Нанесите на чертёж образца координаты отверстий.
4. Содержание отчёта
Отчёт по работе должен содержать чертёжи контрольных образцов с нанесёнными координатами внутренних отверстий, определённых с помощью прямого и наклонного преобразователей.
•
•
• 5. Вопросы для самоконтроля
1. Что такое прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты ?
2. По каким критериям проводится классификации датчиков-преобразователей ?
3. В чём достоинства и недостатки эхо метода ультразвукового контроля ?
4. В чём достоинства и недостатки теневого метода ультразвукового контроля ?
5. Каким методом ультразвукового контроля эффективнее определять подповерхностные дефекты ?
6. Почему наклонным преобразователем сложнее зафиксировать донный сигнал ?
6. Литература
1. Радиационная, ультразвуковая и магнитная дефектоскопия металлоизделий: Учеб. для ПТУ/ Н.П.Алешин, В.Г.Щербинскай. М.:Высшая школа, 1991. 271 с.
2. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий: Справочник в 2-х томах /Под ред. д.т.н. проф. В.В.Клюева. М.: Машиностроение, 1976.
3. Ультразвуковая дефектоскопия в энергомашиностроении./ Е.Ф.Кретов. С.-Пб.: «Радиоавионика», 1995, 326 с.
4. Ультразвуковой контроль сварных соединений./В.Г.Щербинский, Н.П.Алешин. М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2000, 496 с.
5. ГОСТ 28782-90. Контроль неразрушающий. Толщиномеры ультразвуковые. Общие технические требования.
6. ГОСТ 8.495-85. ГСИ. Толщиномеры ультразвуковые контактные. Методы и средства поверки.
