Ультразвуковой контроль сварных соединений

Принцип действия устройств для УЗК

Методы УЗК основаны на постулате, констатирующем неизменность траектории движения звуковых волн в однородной среде. Бракованные места, находящиеся в толще исследуемого объекта, нарушают его однородность, вследствие чего становятся отражателями ультразвуковых волн.

Исследуемый материал подвергается воздействию упругих колебаний с частотой в диапазоне от 0,5 до 10 МГц, исходящих от излучателя дефектоскопа. Преломляясь сначала в пьезоэлектрическом преобразователе, вторично они преломляются на границе исследуемого объекта, после чего могут отражаться либо от дефектов материала, либо от поверхности дна, если бракованные места на пути ультразвуковых волн отсутствуют. Размеры и глубина расположения дефекта определяются при помощи УЗК по амплитуде и времени прихода эхо - сигнала.

Действенность методов УЗК зависит в первую очередь от характеристик упругих колебаний:

• направления волны – продольного, поперечного, нормального, подповерхностного или головного;
• длины волны – с увеличением длины повышается чувствительность, но снижается энергия колебаний, а уменьшение длины волны влечет за собой рост частоты, а соответственно и уменьшение чувствительности.

Одной из основных блоков устройства для УЗК является высокочастотный генератор, который через равные интервалы в несколько микросекунд посылает на пьезоэлектрический элемент сигналы. Их длительность зависит от вида предполагаемых дефектов, плотности и структуры металла. Отраженные от бракованного места или противолежащей поверхности волны попадают на другой пьезоэлектрический элемент, посылающий, под их воздействием, электрические импульсы на вход прибора.

Отраженные импульсы указывают на бракованные места, а также их размеры и глубину заложения. По результатам обработки импульсных сигналов, полученная в ходе УЗК информация выводится на дисплей прибора, что позволяет оператору сделать вывод о наличии или отсутствии дефектов в сварном соединении.

Точность ультразвукового контрольного устройства зависит в первую очередь от чувствительности приемника, улавливающего отраженный импульс, при этом следует учитывать изменение направления волны на границе сред. Волна отражается и в местах теневых участков. УЗК-дефектоскоп воспринимает импульс, преобразует его в электрический ток и выводит на монитор.

На отечественном рынке приборов неразрушающего контроля представлены разнообразные модели УЗК-дефектоскопов, характеристики которых позволяют находить некачественно выполненные участки сваренных соединений и бракованные места в основных материалах.

Плюсы и минусы ультразвуковых методов контроля

Высокий спрос на ультразвуковые приборы объясняется преимуществами технологий УЗК, в число которых включаются:

• безвредность для здоровья оператора и других лиц;
• низкая себестоимость процесса;
• быстрое получение результатов проверки и характеристик объектов проверки;
• мобильность ультразвуковых приборов – возможность их использования в полевых условиях;
• возможность использования при проверке сложных конструкций;
• выявление максимального количества бракованных мест, в т.ч. предельно малых размеров;
• широкий круг решаемых задач за счет использования различных датчиков, призм, сканеров и др.;
• способность обнаружения в ходе УЗК пустот, трещин, расслоения в сваренном соединении, шлаковые включения и другие бракованные места под поверхностью;
• возможность выявления мест коррозионного поражения;
• способность измерения размеров и глубины залегания бракованных мест;
• возможность оценки качества сваренных, паяных или клеевых соединений различного вида.

В то же время, методы УЗК не свободны от недостатков, к которым относятся:

• ограничения при проверке крупнозернистых материалов – аустенитная сталь, чугун, сплавы с высоким содержанием никеля, титан и др.;
• сложность интерпретации результатов проверки соединений разнородных материалов;
• невысокая точность определения реальных размеров выявленных бракованных мест;
• необходимость предварительной подготовки поверхности контролируемого объекта для обеспечения плотного прилегания зонда;
• ограничения геометрического характера: толщина контролируемых деталей в пределах от 8 мм до 80 см.

С учетом преимуществ и недостатков, УЗК-дефектоскопы могут использоваться при решении широкого круга задач в различных сферах.

Сфера применения методов ультразвукового контроля

Универсальность методов УЗК позволяют использовать их в самых разных отраслях промышленности и строительстве, в частности в транспортном машиностроении для обнаружения бракованные места в композитных сотовых и синтетических материалах, в строительстве – для определения качества сваренных швов в стальных и алюминиевых несущих конструкциях и т.д. методы УЗК используются при сварке:

• напорных трубопроводов, по которым транспортируется углеводородное сырье, нефтепродукты, горячая вода и другие рабочие среды;
• оболочек реакторов в химической, атомной и пищевой промышленности;
• путевых сооружений железных дорог;
• корпусов сосудов, работающих под давлением;
• теплообменников, печей и др.

При этом УЗК-дефектоскоп способен контролировать сваренные соединения различного вида:

• кольцевые (трубные);
• тавровые и другого, в т.ч. сложного сечения;
• поперечные и продольные, воспринимающие значительное давление или нагрузки с разных направлений.

Методы УЗК действенны в т.ч. для выявления бракованных мест, образующихся и развивающихся в ходе эксплуатации, поэтому они активно используются и в ходе диагностирования и технического освидетельствования опасных производственных объектов. При проведении экспертизы промышленной безопасности, в большинстве случаев результаты неразрушающего контроля становятся основанием для определения дальнейшего использования механизма или конструкции.

Виды и методы ультразвукового контроля сварных соединений

При ультразвуковой диагностике сваренных соединений могут использоваться различные методы: прямого луча, одно-, двух- или многократного отражения. При этом направление луча выбирают в зависимости от мест наиболее вероятного расположения дефектов. Чаще используются следующие методы УЗК:

• эхо - импульсный, при котором УЗК-дефектоскоп генерирует волну и настроен на прием отраженного сигнала. Его возврат означает, что в контролируемом объекте имеет разделение сред, а отсутствие показывает отсутствие дефектов;
• эхо - зеркальный (метод «Тандем»), когда датчик располагается под углом к оси стыка, а приемник улавливает отраженный ультразвук и определяет наличие или отсутствие трещин;
• теневой, при использовании которой приемник помещается сзади сваренного стыка и в случае, если волна не попадает на приемник, а отражается, оператор фиксирует теневой участок;
• зеркально-теневой, комбинированный из теневой и зеркальной методик. Этот метод требует комплекта датчиков, улавливающих отраженные ультразвуковые волны. Фиксация на датчике чистой волны означает отсутствие дефектов;
• дельта - метод, когда на объект воздействует направленный луч. Бракованные места в стыке фиксируются по степени отражения ультразвукового сигнала;
• велосиметрический, эффективный при контроле композиционных материалов, основан на анализе изменения скорости колебаний волны в зоне бракованных мест;
• ревербационно-сквозной, при котором приемник и излучатель располагаются с одной стороны контролируемого объекта, поблизости друг от друга. Волна попадает на приемник после многочисленных отражений, при этом стабильный отраженный сигнал доказывает отсутствие дефектов, а изменение амплитуды и спектра сигнала позволяет сделать вывод о некачественно выполненном стыке.

УЗК позволяет определить часть шва, выполненного с браком, что позволяет отремонтировать бракованные места, не допуская возникновения аварийных ситуаций. Это особенно актуально для магистральных трубопроводов высокого давления.

Технологии ультразвукового контроля

Стандартная процедура УЗК состоит из традиционного для всех методов набора ряда последовательных операций:

• подготовка поверхности к контрольным операциям: очистка места соединения и околошовной зоны от следов коррозии, краски и грунтовки, масляных загрязнений. На очищенную поверхность наносится разметка – обозначаются участки длиной 0,3 - 0,5 м или отметка начала и направления оси координат;
• настройка чувствительности, амплитуды и времени на соответствующих шкалах дефектоскопа. После этого задаются необходимые параметры сигнала, включая поисковое усиление, уровень фиксации и уровень выбраковки. В конце выставляются величина усиления и масштаб развертки с тем, чтобы обеспечить удобное для восприятия изображение на экране эхо - сигнала. Перед проведением ультразвукового контроля производится обязательная проверка работоспособности УЗК-дефектоскопа с использованием специальных стандартных образцов двух видов – калибровочных и настроечных. При помощи первых проверяются основные показатели оборудования (разрешающая способность, мертвая зона, угол ввода и др.), а используя вторые производят настройку глубиномера дефектоскопа и определение уровня чувствительности исходя из характеристик контролируемого объекта;
• собственно контрольные операции, когда оператор, прижимая датчик к поверхности обследует поверхность места соединения и околошовной зоны, выполняя для этого возвратно-поступательные поперечно-продольные или продольно-поперечные. При этом важно не пропускать ни одного участка поверхности, а также необходимо следить за уровнем эхо - сигналов, чтобы не пропустить достижения контрольной отметки, если об этом не смогут предупредить звуковые или световые сигналы;
• сохранение результатов контроля: передача их на компьютер, нанесение мелом или маркером непосредственно на проверенной поверхности дефектных мест;

• расшифровка полученной информации, классификация дефектов (допустимые или недопустимые, протяженные и короткие; поперечные, в корне шва или в его сечении). В журнале ультразвукового контроля фиксируются следующие данные:

  • длина проверенного стыка;
  • размеры, форма и глубина заложения выявленных бракованных мест;
  • диапазон излученной волны.
• оформление заключения с указанием координат дефектов и выводом о пригодности объекта, необходимости ремонта или удалении сварного шва.

В зависимости от методики проверки процедура УЗК может незначительно изменяться.

Виды приборов для ультразвуковой диагностики

Российский рынок оборудования для неразрушающего контроля предлагает немало моделей приборов для ультразвуковой дефектоскопии, изготовленных на отечественных и зарубежных предприятиях. Современные УЗК-дефектоскопы портативны и мобильны, позволяя работать в полевых, а также в суровых климатических условиях. Однако значительно важнее широкие возможности выбора функций и индивидуальных пользовательских настроек. Различные модификации УЗК-дефектоскопов позволяют получить на мониторе А-, В-, С-, D-, S-, L-сканы. Наиболее эффективными считаются модели с двумя и более независимых каналов со специальным программным обеспечением и возможностью использования секторного и (или) линейного сканирования при реализации следующих методик УЗК сварных соединений:

• с фазированной решеткой. Для этого метода на поверхности кристаллических датчиков размещаются с определенным шагом элементы в количестве 16, 32, 64 или 128 штук, излучающих волны с расчетной задержкой. Управляя продолжительностью задержки можно добиться получения фронта волны, идущей под определенным углом. В результате оператор может видеть сигналы от всех дефектов, расположенных в зоне секторного сканирования, где прошел фронт волны.

  Многоканальные УЗК-дефектоскопы обладают ПО, способным вывести на монитор в режиме реального времени А-сканы с высокой степенью информативности, позволяющие формировать достоверные, подробные и наглядные отчеты. Этот метод минимизирует мертвую зону, притом производительность УЗК-дефектоскопов с фазированной решеткой превышает такой же показатель рядового дефектоскопа в 3 – 4 раза;

• дифракционно-временной, для которой необходимы два преобразователя, установленные друг против друга с одной стороны поверяемого объекта. При попадании на трещину, сигналы отражаются во все стороны, в т.ч. и в сторону приемника. УЗК-дефектоскопом фиксируется время возвращения обоих импульсов. На дисплее УЗК-дефектоскопа отражаются оба сигнала – верхней и нижней границ трещины, что позволяет с высокой степенью достоверности определить границы дефекта. Этот метод позволяет обнаруживать точечные дефекты, выходящие на поверхность, вогнутость, непровары корня сварного шва, расслоения, коррозию и др. Точность измерений по этой технологии составляет ±1 мм. Для углеродистых и низколегированных сталей дифракционно-временной метод оказывается эффективней радиографического контроля.
• метод универсален и с его помощью можно производить ультразвуковой контроль на сложных швах.

Другим блоком УЗК-дефектоскопов являются преобразователи (датчики), состоящие из искательной головки призматической формы и пластины из титанита бария или кварца. После подачи на головку электрического тока, пластина вибрирует, производя при этом кратковременные импульсы, длительность и интервал которых может регулироваться в зависимости от объекта контроля.

Кроме этого в процессе контроля участвуют призмы различного вида, координатные устройства, сканеры. При калибровке прибора необходимы стандартные образцы и настроечные меры, а для повышения степени акустического контакта поверхность объекта покрывается контактной жидкостью.

Ультразвуковые дефектоскопы от компании «Литас»

Одним из лидеров отечественного рынка оборудования для неразрушающего контроля является созданная более 20- лет назад ООО «Литас» из Казани. Компания не только выпускает собственные приборы, но и является торговым представителем других российских и зарубежных предприятий, выпускающих оборудование такого назначения. Продавая приборы для неразрушающего контроля ООО «Литас», берет на себя гарантийное и постгарантийное обслуживание оборудования, что избавляет заказчика от необходимости отправлять приборы на завод-изготовитель.

Компания «Литас» предлагает широкий выбор УЗК-дефектоскопов различных производителей, в т.ч.:

• основанного в 1989 г. научно-производственного центра «Кропус», базирующегося в г. Ногинске Московской области;
• организованного в 1997 г. научно-производственного центра «Луч» из г. Балашихи Московской области;
• созданного в 1991 г. ООО «Акустические контрольные системы» («АКС»), которое находится в пос. Горки Ленинские Московской области.

• УСД46 – миниатюрный (205х160х43 мм), легкий (0,87 кг с аккумулятором) УЗК-дефектоскоп, оборудованный TFT- дисплеем с разрешающей способностью 320х240 пикселей (115х85 мм), работает при температурах от -25°С до +55°С. Он обладает функцией автоматической калибровки, позволяет одним нажатием кнопки вывести необходимые настройки. В приборе предусмотрен USB-интерфейс для передачи полученной информации на ПК. Скорость ультразвука составляет от 1000 до 10000 м/сек, а глубина поиска дефектов составляет 3 м для эхо - режима и 6 м для теневого;
• УСД50IPS – легкий (1,4 кг вместе с аккумулятором) и компактный дефектоскоп с широким углом обзора имеет класс защиты IP65 (защита от песка, пыли и водяных струй), оснащен высококонтрастным цветным монитором размерами 640х480 точек (130х100 мм) и пригоден к работе в суровых климатических условиях с температурами от -30°С до +55°С. Рабочие частоты прибора в интервале от 20 до 2000 Гц, со скоростями ультразвука от 1000 до 15000 м/сек. Он способен находить дефекты на глубине 3 м (в эхо - режиме) и до 6 м (в теневом режиме);
• УСД60 – ручной УЗК-дефектоскоп весом 1,4 кг с аккумулятором, оснащен регулируемым генератором большой мощности, широкополосным приемником с низким уровнем шума и комплектом фильтров. База данных дает возможность загружать все параметры за одно нажатие кнопки. Широкий функционал прибора позволяет использовать в работе любые методы контроля. Дефектоскоп оборудован цветным высококонтрастным монитором 640х480 точек (130х100 мм), а его корпус имеет класс защиты IP65 (полная защита от песка, пыли и струй воды со всех сторон). УЗК-дефектоскоп работает в интервале частот от 20 до 2000 Гц, со скоростями ультразвука от 1000 до 15000 м/сек. Он может выполнять контроль при температурах воздуха от -30°С до +55°С и обнаруживать дефекты на глубине 3 м (в эхо - режиме) и до 6 м (в теневом режиме). УЗК-дефектоскоп УСД60 выпускается как универсальная платформа, дающая возможность пользователю повышать функционал прибора по потребности;
• УСД60-8К WeldSpector – восьмиканальный УЗК-дефектоскоп используется для ручного контроля сварных стыков со скоростью до 4м/мин. Такая скорость доступна благодаря широкому применению современных цифровых методов. Размещение четырехканальных преобразователей с обеих сторон сварного шва дает возможность осуществить его контроль за один проход. Вес прибора с аккумулятором составляет 4 кг, он оснащен цветным высококонтрастным монитором 640х480 точек (130х100 мм) со специальной функцией работы на ярком солнце. УЗК-дефектоскоп сохраняет работоспособность в интервале температур от -30°С до +55°С. Он работает с ультразвуком, скорости которого могут изменяться от 1000 до 10000 м\сек, а предельная глубина определения дефектов в эхо - режиме составляет 6 м;
• УСД60ФР – УЗК-дефектоскоп на фазированных решетках, где совместно используются преобразователи ФАР и обработка поступающих сигналов по методу SAFT. Кроме стандартного набора функций в приборе предусмотрен вход двухкоординатного энкодера, при помощи которого в операциях по контролю качества сварных швов могут участвовать различные сканеры. УЗК-дефектоскоп весом 1,4 кг с аккумулятором, размещен в корпусе со степенью защиты IP65 (защита от пыли, грязи и струй воды), оборудован цветным дисплеем с цветной матрицей 640х480 точек (130х100 мм) и широким углом обзора. Прибор предназначен для работы при температуре от -30°С до +55°С, в диапазоне скоростей ультразвука от 1000 до 10000 м/сек. Глубина поиска дефектов составляет до 3 м в эхо-режиме и до 6 м в теневом.

• Пеленг-115 – легкий (550 г или 800 г для прибора в исполнении «Морозко») и миниатюрный (180х85х35 мм) УЗК-дефектоскоп предназначен для ручного контроля сплошности и однородности изделий и материалов, сварочных и паяных швов, а также для поиска и выдачи координат дефектов, расположенных на глубине от 2 до 1500 мм при скорости ультразвука от 100 до 15000 м/сек. Прибор оборудован цветным монитором 70,0х52,5 мм, размещен в корпусе со степенью защиты IP64 (пыленепроницаемый с защитой от водяных брызг) и работоспособен в интервале температур от -10°С до +50°С (от -40°С до +50°С для прибора в исполнении «Морозко»);
• Пеленг-415 – ультразвуковой дефектоскоп весом 4,2 кг, размерами 290х190х100 мм используется для контроля сплошности и однородности конструкций и материалов, сварных и паяных швов, для поиска и определения координат дефектов, расположенных в толще изделия, на глубине от 2 до 1500 мм при скорости ультразвука от 100 до 15000 м/сек. В отличие от ранних моделей Пеленг-415 может функционировать в составе комплексов многоканальных установок и сканеров, а также формировать АРД-диаграммы и вычислять эквивалентную площадь дефектов. Прибор работает в интервале температур от -10°С до +50°С, он размещается в пылевлагозащищенном корпусе со степенью защиты IP64;
• УД2-70 – УЗК-дефектоскоп, предназначенный для поиска нарушений сплошности и однородности в готовых изделиях, полуфабрикатах, заготовках, сварных стыках, для определения глубины заложения и координат дефектных мест в интервале температур от -10°С до +50°С с рабочими скоростями ультразвука от 100 до 15000 м/сек. В приборе предусмотрено специальное меню для поиска дефектов в деталях и узлах подвижного состава железных дорог. У прибора цветной высококонтрастный монитор размерами 111,4х83,5 мм, смонтированный в пылевлагозащищенном корпусе со степенью IP64 (полноценная защита от пыли и грязи, водяных брызг).

• А1211 Mini – легкий (210 г с аккумулятором) и компактный (161х70х24 мм) ручной УЗК-дефектоскоп предназначен для УЗК конструкций из металлов и синтетических материалов, сварных швов, поиска и классификации дефектов в полевых условиях, в т.ч. в труднодоступных местах и в стесненных условиях, на глубине от 2 до 900 мм, а также замеров толщины изделий, при скорости ультразвука от 1000 до 15000м/сек. Прибор оснащен высококонтрастным TFT-дисплеем и сохраняет работоспособность при температурах от -20°С до +55°С;
• A1212 Master – малогабаритный (260х157х43 мм), легкий (0,8 кг) ручной УЗК-дефектоскоп, предназначенный для контроля качества сварных соединений, поиска мест коррозии, расслоения, трещин, непроваров и других видов дефектов, фиксация координат и оценка характеристик зон с нарушениями сплошности и однородности в металлических и пластмассовых изделиях на глубине до 6000 мм и при скорости ультразвука от 500 до 15000 м/сек. Прибор оснащен цветным жидкокристаллическим TFT-дисплеем с разрешением 640×480 точек с белой подсветкой. УЗК-дефектоскоп способен работать при температурах от -30°С до +55°С;
• A1214 Expert – ручной ультразвуковой цифровой дефектоскоп общего назначения весом 1,8 кг, размерами 260х157х43 мм предназначен для контроля качества сварных соединений, поиска мест коррозии, расслоения, трещин, определение координат зон сплошности и неоднородности в изделиях из металла, пластмасс и других однородных материалах, как в лабораторных, так и в полевых условиях. В приборе предусмотрен высококонтрастный цветной дисплей (640х480 точек) и клавиши «быстрого доступа». Скорость ультразвуковых волн в интервале от 500 до 15000 м/сек; максимальная глубина нахождения дефекта – 6,0 м, работоспособность прибора сохраняется в интервале температур от -30°С до +55°С.

Компания «Литас» предлагает и другие дефектоскопы для ультразвукового контроля этих производителей. Компании, выпускающие приборы для неразрушающего контроля постоянно совершенствуют свою продукцию, разрабатывают новые образцы, которые поступают в ООО «Литас». Поэтому здесь можно приобрести самое современное отечественное оборудование, дающее возможность быстро и с минимальными затратами произвести неразрушающий контроль изделий и материалов.