Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения размеров дефекта при ультразвуковом контроле с помощью датчика на фазированной решетке

Изобретение относится к способам исследования или анализа материалов с помощью ультразвуковых волн, в частности к способам неразрушающего контроля, и может быть использовано для дефектоскопии сильно нагретых и охлажденных объектов контроля, например паропроводов.

При ультразвуковом контроле существует проблема определения размеров обнаруженных дефектов. В настоящее время при дефектоскопии используют настроечные образцы, стандартные образцы предприятий, АРД - диаграммы и др. что позволило добиться приемлемой точности в определении размеров дефектов ультразвуковым методом. При существенном изменении температуры контроля (более 10 градусов) погрешность определения размеров дефекта может оказать сильное влияние на результаты контроля. При изменении температуры на результаты ультразвукового контроля оказывают влияние несколько процессов. На амплитуду сигнала влияет изменение затухания сигнала в пластиковой призме, используемой для изменения угла ввода сигнала в объект контроля и защиты датчика от повреждений, и коэффициента электромеханической связи в пъезокерамических датчиках. Изменение скорости распространения волн в пъезокерамических датчиках, пластиковой призме и металле объекта контроля приводит к изменению углов падения-отражения ультразвуковой волны на границе этих материалов по закону Снеллиуса, что влияет на размеры акустического образа дефекта.

Известен способ определения размера дефекта путем установки ультразвукового датчика на калибровочный образец той же температуры, что и объект контроля и последующей подстройки усиления в дефектоскопе (ГОСТ Р ИСО 16809-2015 Контроль неразрушающий. Контроль ультразвуковой. Измерение толщины). Недостатком данного способа является необходимость нагревать или охлаждать калибровочный образец для каждого объекта контроля с разной температурой, что значительно увеличивает время проведения контроля. Кроме того, в данном способе рекомендуется по возможности максимально уменьшать время контакта датчика с нагретым объектом, что приводит к еще большей неоднозначности, т.к. на амплитуду сигнала и определяемые размеры дефекта в большей влияет не температура металла исследуемого объекта, а температура керамической пъезопластины ультразвукового датчика, а также пластиковой призмы. Таким образом, при проведении контроля нагретого объекта необходимо наоборот, увеличивать время контакта с целью выравнивания температуры датчика с температурой объекта контроля и калибровочного образца.

Известен способ учета зависимости амплитуды донного сигнала от температуры металла в зоне термического влияния сварного соединения с различным размером зерна (Глоба Р.А., Трофимов М.А. Исследование зависимости амплитуды акустического эхо-сигнала от среднего размера зерен в сварном соединении / Евразийское научное объединение. - 2015. - Т. 1, №10. С. 54-57). Недостатком данного способа является то, что он применим только при толщинометрии для прямых датчиков продольных волн, и не применим для наклонных датчиков сдвиговых волн, тем более для датчиков на фазированных решетках, состоящих из множества пьезоэлектрических преобразователей. Кроме того данный способ учитывает лишь температуру объекта контроля, а именно температурный коэффициент затухания в стали. Как отмечалось выше, основной вклад в амплитуду сигнала вносит температура пъезопластин, коэффициент электромеханической связи которых сильно зависит от температуры. Кроме того, в данной работе показано, что при повышении температуры амплитуда сигнала от прямого датчика с одной пъезопластиной, и соответственно эквивалентная площадь отражения от дефекта, по которой судят о размере дефекта, уменьшается. Тогда как в результате проведенных исследований влияния температуры на амплитуду сигнала датчика на фазированной решетке получен обратный эффект: при повышении температуры амплитуда сигнала увеличивается.

В качестве прототипа выбран способ проведения ультразвукового контроля с помощью датчиков на фазированных решетках в соответствии со стандаротом ISO 13588:2019 Non-destructive testing of welds - Ultrasonic testing - Use of automated phased array technology, заключающийся в том, что по настроечному образцу уменьшают или увеличивают чувствительности датчика таким образом, чтобы размеры акустического образа настроечных отражателей (эталонных дефектов в настроечном образце) на S, С и D сканах соответствовали их истинным размерам, а затем проводят измерения на объекте контроля. Недостатком данного метода является то, что он не учитывает влияние температуры на акустический образ дефекта.

Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является уменьшение погрешности определения размеров дефекта, обнаруженного в нагретом или охлажденном промышленном объекте контроля при ультразвуковой дефектоскопии датчиком на фазированной решетке, в частности в процессе разбраковки.

Положительный эффект достигается тем, что определение размеров дефекта при ультразвуковом контроле с помощью датчика на фазированной решетке основано на анализе S, С или D сканов либо их совокупности.

Новым является то, что в нагретом или охлажденном объекте контроля истинные размеры дефекта P₀ рассчитывают по формуле Р₀=k(1/Т₀-1/Т)+Р, где Р - размер акустического образа дефекта на скане при температуре Т, k - коэффициент равный тангенсу угла наклона линейной зависимости Р*(1/Т*), определяемой экспериментально на настроечном образце с известным дефектом путем медленного охлаждения или нагрева образца и определения размера акустического образа Р* на сканах при разных температурах Т*, Т₀ - температура, при которой размер акустического образа дефекта на настроечном образце совпадает с его истинным размером.

В частном случае реализации способа по п. 2 формулы новым является то, что на настроечном образце температурную зависимость размера акустического образа получают для дефекта с предельно допустимыми размерами.

В частном случае реализации способа по п. 3 формулы новым является то, что при установке датчика на объект контроля дожидаются такого выравнивания температуры датчика, объекта контроля и пластиковой призмы при ее наличии, при котором скорость изменения температуры датчика и призмы становится меньше 0,005 градусов в секунду.

Способ поясняется фиг.1, на которой приведена зависимость размера акустического образа дефекта от величины обратной температуре для отверстия диаметром 3 мм.

Способ осуществляют следующим образом.

Устанавливают датчик на фазированной решетке на настроечный образец, далее охлаждают или нагревают образец и строят зависимость размера акустического образа дефекта от величины обратной температуре 1/Т, определяемого на S, С или D сканах либо их совокупности, и определяют тангенс угла наклона этой зависимости k, далее устанавливают датчик на объект контроля с неизвестным дефектом, получают его акустический образ на сканах и, используя коэффициент k рассчитывают истинный размер дефекта Р₀ по формуле Р₀=k(1/Т₀-1/Т)+Р, где Р - размер акустического образа дефекта на скане при температуре Т, k - коэффициент равный тангенсу угла наклона линейной зависимости Р*(1/Т*) определяемой экспериментально на настроечном образце с известным дефектом путем медленного охлаждения или нагрева образца и определения размера акустического образа Р* на сканах при разных температурах T*, Т₀ - температура, при которой размер акустического образа дефекта на настроечном образце совпадает с его истинным размером.

Таким образом удается учесть влияние температуры на размер акустического образа дефекта на сканах и соответственно более точно определить истинный размер дефекта при ультразвуковой дефектоскопии датчиком на фазированной решетке, в частности в процессе разбраковки.

Следующий пример применения поясняет предлагаемый способ, но не ограничивает его.

Получение температурной зависимости размеров акустического образа дефекта проводилось на настроечном образце, представляющим собой сварное стыковое соединение двух листов стали Ст3сп толщиной 40 мм. Вдоль оси сварного шва на глубине 26 мм от поверхности был изготовлен дефект в виде отверстия диаметром 3 мм. Сканирование проводилось ультразвуковым томографом SIUI SyncScan. На поверхность образца устанавливался датчик с фазированной решеткой 5.0L32-0.5-10 и угловой пластиковой призмой 16N55S производства SIUI. Контроль температуры проводился с помощью двух термопар K-типа, подсоединенных к цифровому термометру AZ-8855. Одна термопара была помещена в отверстие образца для регистрации температуры в объеме материала, вторая термопара была установлена непосредственно на металлический корпус датчика с фазированной матрицей. На приборе регистрировались A, S, С, и D - сканы. После эксперимента полученные результаты обрабатывались в специализированной программе SuporUp.Так как настроечным дефектом являлось круглое отверстие, то измерения диаметра дефекта по акустическому образу проводилось на S сканах. Усиление в приборе было подобрано таким образом, чтобы при комнатной температуре T₀= +22°С размер акустического образа дефекта совпадал с его истинным размером равным 3 мм.

В результате эксперимента получена линейная зависимость диаметра акустического образа круглого отверстия Р* от величины обратной температуре 1/Т*, фиг.1. Тангенс угла наклона кривой равен k=-91 мм градус.

Используя экспериментально найденный коэффициент к запишем формулу для расчета истинного размера дефекта в нагретом или охлажденном объекте контроля:

Используя данную формулу можно рассчитать истинный размер круглого дефекта. Например, при ультразвуковом контроле паропровода, охлажденного до температуры 50 градусов Цельсия был обнаружен круглый дефект типа поры. Диаметр акустического образа дефекта равен 5 мм. Подставляем в формулу Р=5 мм, T=+50 градусов, T₀=+22 градуса, получаем:

Таким образом, истинный диаметр круглого дефекта типа поры в нагретом паропроводе составляет 2,3 мм.

В частном случае реализации способа по п. 2 формулы для повышения точности при разбраковке на настроечном образце получают температурную зависимость размера акустического образа дефекта с предельно допустимыми размерами. Для дефектов разных размеров температурные зависимости их акустических образов могут быть разные, но для разбраковки достаточно определить, превышают ли размеры обнаруженного дефекта предельно допустимые размеры дефектов, регламентированные нормативной документацией предприятия. Поэтому использование коэффициента к, полученного из температурной зависимости для предельно допустимого дефекта, при расчете истинного размера дефекта позволяет провести оценку "сверху" или оценку "снизу" соответственно для дефектов большего и меньшего размера по сравнению с предельно допустимым.

В частном случае реализации способа по п. 3 формулы при установке датчика на объект контроля дожидаются такого выравнивания температуры датчика, объекта контроля и пластиковой призмы при ее наличии, при котором скорость изменения температуры датчика и призмы становится меньше 0,005 градусов в секунду.

Реализация способа в данном частном случае позволяет снизить влияние эффектов, связанных с градиентом температур, на точность проводимых измерений.