Ультразвуковой контроль

Ультразвуковой контроль (УЗК) — это метод неразрушающего контроля (НК) материалов и изделий, основанный на регистрации параметров упругих волн (ультразвука), прошедших через объект или отражённых от его внутренних дефектов и границ раздела сред. УЗК позволяет выявлять внутренние и поверхностные дефекты (трещины, расслоения, поры, включения, непровары сварных швов), измерять толщину стенок при одностороннем доступе, а также определять физико-механические свойства материалов.

Физические основы

Ультразвуковой контроль базируется на способности ультразвуковых волн (частотой от 0,5 до 25 МГц, реже до 100 МГц) распространяться в упругих средах (металлах, пластмассах, керамике, бетоне) и взаимодействовать с неоднородностями. Основные типы волн, используемые в УЗК:

Продольные волны — колебания частиц среды совпадают с направлением распространения волны. Обладают наибольшей скоростью и проникающей способностью, используются для контроля толстостенных изделий.
Поперечные (сдвиговые) волны — колебания перпендикулярны направлению распространения. Возникают при вводе ультразвука под углом, применяются для контроля сварных швов и тонкостенных объектов.
Поверхностные волны (волны Рэлея) — распространяются вдоль поверхности, глубина проникновения — порядка длины волны. Используются для выявления поверхностных трещин.
Нормальные волны (волны Лэмба) — распространяются в тонких листах и пластинах, позволяют контролировать их сплошность.

При распространении в однородной среде ультразвук затухает из-за рассеяния на микронеоднородностях и поглощения энергии. Наличие дефекта (включения, трещины, расслоения) вызывает изменение амплитуды, времени прохождения или фазы сигнала. Принцип действия УЗК основан на сравнении параметров зондирующего и принятого сигнала.

История развития

Первые попытки использования ультразвука для дефектоскопии относятся к началу XX века. В 1917 году французский физик Поль Ланжевен разработал ультразвуковой гидролокатор для обнаружения подводных лодок, что заложило основы акустических методов. В 1929 году советский учёный С. Я. Соколов предложил метод ультразвуковой дефектоскопии металлов, а в 1935 году создал первый ультразвуковой дефектоскоп для выявления трещин в рельсах. В 1940-х годах, с развитием радиолокации и пьезоэлектрических материалов, началось промышленное внедрение УЗК. В 1945 году американский инженер Флойд Файрстоун разработал импульсный эхо-метод, ставший основой современной дефектоскопии. В СССР в 1950-е годы были созданы первые серийные дефектоскопы (УДМ-1, УДМ-3), а в 1960-е — начато широкое применение УЗК в авиастроении, судостроении и атомной энергетике. В 1970-е годы разработаны методы фазированных решёток и автоматизированные системы контроля.

Методы ультразвукового контроля

Существует несколько основных методов УЗК, различающихся способом ввода и приёма ультразвука, а также типом регистрируемого сигнала:

Эхо-метод (импульсный)

Наиболее распространённый метод. Короткий импульс ультразвука излучается пьезоэлектрическим преобразователем (ПЭП) в объект. Отражённые от дефектов и донной поверхности эхо-сигналы принимаются тем же или отдельным преобразователем. По времени задержки и амплитуде эхо-сигналов определяют глубину залегания и размер дефекта. Применяется для контроля сварных швов, поковок, листового проката.

Теневой метод

Ультразвуковой сигнал проходит через объект от излучателя к приёмнику, расположенным с противоположных сторон. Наличие дефекта вызывает ослабление (затенение) сигнала. Метод не позволяет определить глубину дефекта, но чувствителен к крупным несплошностям. Используется для контроля листов, труб, а также в автоматических линиях.

Зеркально-теневой метод

Разновидность теневого метода, при котором излучатель и приёмник расположены с одной стороны объекта, а отражение происходит от донной поверхности. Дефект на пути волны ослабляет донный сигнал. Применяется для контроля тонкостенных изделий и сварных швов.

Резонансный метод

Основан на измерении резонансной частоты колебаний объекта при его возбуждении ультразвуком. Изменение толщины или появление дефекта смещает резонансную частоту. Используется для измерения толщины стенок и выявления коррозионных поражений.

Метод фазированных решёток (ФР)

Использует многоэлементный преобразователь, каждый элемент которого излучает ультразвук с заданной задержкой. Это позволяет формировать и сканировать ультразвуковой луч без механического перемещения преобразователя. Обеспечивает высокую скорость контроля и визуализацию дефектов в реальном времени. Широко применяется в авиакосмической и энергетической промышленности.

Метод TOFD (Time-of-Flight Diffraction)

Метод дифракции времени пролёта. Излучатель и приёмник располагаются с одной стороны объекта. Ультразвук, дифрагирующий на краях дефекта, регистрируется приёмником. По разнице времени прихода дифрагированных сигналов определяется высота и протяжённость дефекта. Метод высокочувствителен к трещинам и непроварам, особенно в сварных соединениях.

Аппаратура и преобразователи

Основным элементом ультразвукового дефектоскопа является пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП), который преобразует электрические импульсы в ультразвуковые колебания и обратно. ПЭП изготавливаются из пьезокерамики (цирконат-титанат свинца, ЦТС) или пьезокристаллов (кварц, ниобат лития).

По конструкции различают:

Прямые (совмещённые) преобразователи — излучают и принимают ультразвук одной и той же пластиной. Используются для прозвучивания перпендикулярно поверхности.
Раздельно-совмещённые преобразователи — имеют отдельные излучающую и приёмную пластины, разделённые акустическим экраном. Применяются для контроля на малых глубинах и вблизи поверхности.
Наклонные преобразователи — вводят ультразвук под углом к поверхности (обычно 30°, 45°, 60°, 70°). Используются для контроля сварных швов и труднодоступных зон.

Современные дефектоскопы представляют собой цифровые приборы с жидкокристаллическим дисплеем, встроенной памятью и возможностью подключения к компьютеру. Они позволяют отображать А-скан (амплитуда сигнала по времени), В-скан (сечение объекта) и С-скан (план объекта).

Области применения

Ультразвуковой контроль применяется в различных отраслях промышленности:

Металлургия — контроль качества проката, поковок, слитков, труб, листов.
Машиностроение — контроль сварных швов, отливок, деталей двигателей и редукторов.
Авиация и космонавтика — контроль лопаток турбин, дисков, лонжеронов, обшивки.
Судостроение — контроль корпусов, сварных соединений, судовых валов.
Нефтегазовая промышленность — контроль трубопроводов, резервуаров, бурового оборудования.
Энергетика — контроль корпусов реакторов, паропроводов, турбин.
Строительство — контроль бетонных конструкций, арматуры, мостов.
Железнодорожный транспорт — контроль рельсов, колёсных пар, осей.
Медицина — ультразвуковая диагностика (УЗИ) является отдельной областью, но основана на тех же физических принципах.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

Высокая чувствительность к дефектам (трещины раскрытием от 0,1 мм).
Возможность контроля при одностороннем доступе к объекту.
Безопасность для человека и окружающей среды (отсутствие ионизирующего излучения).
Высокая производительность (до нескольких метров в минуту при автоматизации).
Возможность измерения толщины и определения свойств материала.
Портативность оборудования.

Недостатки:

Требуется высокая квалификация оператора.
Затруднён контроль материалов с крупнозернистой структурой (чугун, некоторые пластмассы).
Необходимость акустического контакта (контактная жидкость, иммерсия).
Ограниченная глубина контроля (обычно до 1–2 метров в металлах).
Сложность интерпретации сигналов при наличии нескольких дефектов или сложной геометрии объекта.

Нормативная база в России

В Российской Федерации ультразвуковой контроль регламентируется рядом государственных стандартов (ГОСТ) и отраслевых документов:

ГОСТ Р 55724-2013 — «Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые».
ГОСТ 17410-78 — «Контроль неразрушающий. Трубы металлические бесшовные. Методы ультразвуковой дефектоскопии».
ГОСТ 22727-88 — «Прокат листовой. Методы ультразвукового контроля».
ГОСТ 24507-80 — «Контроль неразрушающий. Поковки из чёрных и цветных металлов. Методы ультразвуковой дефектоскопии».
ПБ 03-440-02 — «Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования, работающего под давлением» (содержит требования к УЗК сварных соединений).
СНиП 3.03.01-87 — «Несущие и ограждающие конструкции» (включает требования к контролю бетона).

Персонал, выполняющий УЗК, должен иметь удостоверение о прохождении аттестации в соответствии с Правилами аттестации персонала в области неразрушающего контроля (ПБ 03-440-02, система НАКС).

Интересные факты

Первый в мире ультразвуковой дефектоскоп был создан в СССР в 1935 году под руководством С. Я. Соколова.
Скорость ультразвука в стали составляет около 5900 м/с для продольных волн, что позволяет измерять толщину с точностью до 0,01 мм.
Ультразвуковой контроль используется для оценки состояния исторических памятников, например, для выявления трещин в мраморных статуях.
В современной авиации УЗК применяется для контроля композитных материалов, где традиционные методы (рентгенография) менее эффективны.

Источники

ГОСТ Р 55724-2013 «Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые».
ГОСТ 17410-78 «Контроль неразрушающий. Трубы металлические бесшовные. Методы ультразвуковой дефектоскопии».
Ермолов И. Н., Ланге Ю. В. «Ультразвуковой контроль: учебное пособие». — М.: Машиностроение, 2004.
Клюев В. В. (ред.) «Неразрушающий контроль и диагностика: справочник». — М.: Машиностроение, 2003.
Соколов С. Я. «Ультразвуковая дефектоскопия металлов». — М.: Госэнергоиздат, 1935.
ПБ 03-440-02 «Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования, работающего под давлением».
Krautkrämer J., Krautkrämer H. «Ultrasonic Testing of Materials». — Springer, 1990.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →