Ультразвукова дефектоскопія: ефективний спосіб запобігти виробничим ризикам

Далі я розповім про переваги й обмеження методу ультразвукової дефектоскопії, а також про потенційні проблеми, які необхідно вирішити, щоб максимально використовувати можливості цієї технології. 

Як це працює і де використовується?

Ультразвукова дефектоскопія (UT) ґрунтується на властивості ультразвукових хвиль спрямовано поширюватися в середовищах і відбиватися від їхніх кордонів або порушень суцільності (дефектів), які мають інший акустичний опір. «Прозвучування» об’єкта дає змогу виявляти так звані «непровари», «несплавлення», тріщини, пори, шлакові включення, розшарування та інші підповерхневі дефекти, як поодинокі, так і їх скупчення. 

Через пошкодження, викликані прихованими дефектами, трапляються аварії, зупинки виробництва, серйозні збитки. Ультразвуковий контроль дає змогу заздалегідь виявити загрози й уникнути ризиків.

Цей метод широко застосовується для контролю зварних швів, перевірки цілісності конструкцій, виявлення підповерхневих дефектів у деталях із металів, сплавів, пластмас.

Основні методи ультразвукової дефектоскопії

Залежно від джерела ультразвуку, зокрема типів спеціальних п’єзоелектричних випромінювачів, вирізняють такі методи:

• Ехо-імпульсний: полягає у спрямуванні акустичної хвилі на зварне з’єднання й реєстрації відбитої хвилі від дефекту. Для проведення контролю використовується один перетворювач, який виступає і джерелом, і приймачем хвиль. Метод  дає змогу досить точно визначити глибину і положення дефекту, але відбитий сигнал сильно залежить від того, як орієнтований дефект.  
• Тіньовий: на відміну від ехо-імпульсного методу, заснований на використанні двох перетворювачів. Один генерує акустичні хвилі, а другий реєструє. Головною вимогою є розташування приймача відповідно до напрямку руху хвилі, переданої випромінювачем. Присутність дефекту визначають за значним зниженням амплітуди сигналу, що приймається, або його повним зникненням.  
• Ехо-дзеркальний: також використовує два перетворювачі, але розташовують їх з одного боку зварного з’єднання. Метод знайшов практичне застосування в пошуку дефектів, розташованих перпендикулярно до поверхні зварного з’єднання. Недоліком, у якомусь сенсі, є необхідність змінювати через певні проміжки часу відстань між перетворювачами. 

Розглядаючи кожен із методів перевірки, можемо з упевненістю зазначити низку позитивних можливостей UT. Ультразвукове дослідження не руйнує та не пошкоджує матеріал. Порівняно з деякими іншими видами дефектоскопії, наприклад, рентгенівською, UT не є шкідливою для людини. Однак потрібно враховувати що, як і будь-який інший метод тестування, вона має свої особливості, вимоги й обмеження.

Необхідний мінімум для використання максимуму можливостей UT

Важливі аспекти, які варто враховувати під час проведення ультразвукової дефектоскопії, включають:

• Калібрування обладнання – без цього точні результати неможливі
• Кваліфікацію інспектора – від досвіду фахівця залежить якість аналізу
• Підготовку поверхні – зона контролю має бути чистою, без іржі, фарби чи бризок металу
• Контактну рідину – потрібна для якісного з’єднання між датчиком і матеріалом
• Складні матеріали – наприклад, чавун або аустенітна сталь можуть створювати шумові перешкоди
• Оцінювання розмірів дефектів – іноді точність може бути обмеженою

Розроблення та впровадження нових методів 

Сучасні рішення ультразвукової дефектоскопії (PAUT, TOFT, TFM, FMC, PWI) відкривають нові горизонти в застосуванні NDT і розглядаються здебільшого як альтернатива ренгенографічному контролю. Наприклад, ультразвуковий контроль із фазованою решіткою (PAUT) і часопролітною дифракцією (TOFD) швидко став передовою технологією як для контролю зварювання під час виготовлення, так і для контролю в процесі експлуатації.

PAUT – це більш просунута форма порівняно зі стандартним ультразвуковим контролем (UT). Основу методу становить спеціалізований ультразвуковий перетворювач із певною кількістю окремих п’єзоелементів. За рахунок одночасного або почергового збудження окремих п’єзоелементів у перетворювачі електронним блоком керування генерується ультразвуковий промінь. За допомогою програмного забезпечення можна змінювати такі параметри, як кут падіння, фокусна відстань і розмір фокусної плями. 

Метод TOFD спирається на інший принцип, ніж PAUT. Останній використовує відбиття, натомість TOFD – дифракцію. Ультразвукові датчики розміщуються з кожного боку зварного шва. Один датчик посилає ультразвуковий промінь у матеріал, а інший приймає відбитий і дифрагований ультразвук від аномалій та геометричних рефлекторів. Використовуючи теорію поширення ультразвукового променя всередині клина й матеріалу, що перевіряється, забезпечує широку зону покриття одним променем. 

Крім того, TOFD характеризується високою чутливістю до всіх типів дефектів зварних швів (зокрема міжваликових несплавлень) і одночасним контролем навколошовної зони. Порівняно з традиційними методами ультразвукового контролю, TOFD більш чутливий до тріщин і точніше вимірює їхні розміри. Однак він має мертву зону, в якій є нечутливим до дефектів, а також складно контролювати сильно викривлені поверхні. Тому TOFD слід доповнювати звичайним ехо-імпульсним дослідженням або PAUT. 

Ультразвуковий контроль із фазованою решіткою та часопролітною дифракцією – це два різні методи, кожен з яких має свої сильні й слабкі сторони. Комплексний і водночас найбільш точний підхід передбачає використання фахівцями неруйнівного контролю поєднання методів PAUT і TOFD. За умови спільного використання ці методи підсилюють один одного, збільшуючи ймовірність виявлення дефектів. 

Сучасне обладнання для ультразвукового контролю оснащене програмним забезпеченням, яке дає змогу поєднувати зображення, отримані за допомогою методів PAUT і TOFD. Такий комбінований підхід забезпечує повнішу візуалізацію внутрішньої структури компонентів, знижує ризик пропуску дефектів і, як наслідок, запобігає можливим поломкам обладнання.

Корисні посилання

Ультразвуковий дефектоскоп Sonatest WAWE

Ультразвуковий контроль методом фазових решіток ZETEC, Eddyfi Technologies

Юрій Онанко, 

експерт напряму «Промисловість»