Трансформация (расщепление и изменение типа) ультразвуко­вых волн происходит при прохождении ими границы раздела двух сред под некоторым углом. При падении волны на границу раздела сред в общем случае часть энергии проходит во вторую среду, а часть отражается в первую. При нормальном падении (перпендикулярном поверхности раздела) расщепления и изменения типа волны не про­исходит и та часть энергии, которая проходит во вторую среду, рас­пространяется в ней в том же направлении.

Коэффициент отражения R, характеризующий интенсивность отраженной волны, зависит от акустического сопротивления первой z1 и второй z2 сред и определяется по формуле

Коэффициент отражения R не зависит от угла падения волны и растет с увеличением разницы акустических сопротивлений сред. Явление отражения ультразвуковой волны от границы перехода в среду с малым акустическим сопротивлением широко используется в ультразвуковой дефектоскопии. Например, при переходе ультразву­ковой волны из стали в воздух интенсивность отраженной волны со­ставляет более 90 %. Аналогичный эффект возникает при обнаруже­нии внутри металла областей (объемов) с малым акустическим сопротивлением: газовых пузырей, пустот, инородных включений и других несплошностей. Для получения заметного отражения доста­точно, чтобы размеры несплошности были соизмеримы с длиной волны. При меньших размерах волна огибает несплошность без су­щественного отражения.

Переход ультразвуковой волной границы раздела двух сред под некоторым углом сопровождается как отражением и преломлением, так и трансформацией: расщеплением падающей волны и появлени­ем иных типов волн. Так, при падении из первой среды продольной волны Сl1 на границу раздела сред под некоторым углом в общем случае могут возникнуть еще четыре волны. Схема их образования приведена на рис. 9.2, где Сl1 — падающая и отраженная продольная волна; Сt1 — отраженная поперечная (трансформированная) волна; Сl2 — преломленная продольная волна; Сt2 — преломленная попереч­ная волна.

Все углы отсчитываются от перпендикуляра к границе в точку раздела волн. Углы прохождения волн во второй среде (углы прелом­ления) определяются ее акустическим сопротивлением, С увеличе­нием угла падения B"„ углы преломления аа и аа увеличиваются. Уг­лы падения, отражения и преломления связаны со скоростью рас­пространения этих волн соотношением (законом Снелиуса)

При увеличении до 90° продольная волна во второй среде ис­чезает. Значение угла падения в этом случае называют первым критическим углом кр1 (рис. 9.3). Значение угла падения, при кото­ром во второй среде исчезает и поперечная волна ( = 90°), называ­ют вторым критическим углом кр1.

Рис.9.2. Схема отражения, преломления и Рис. 9.3. Схема образования первого критического угла

трансформации продольных волн

9.4. Способы получения и ввода ультразвуковых колебаний. Конструкция пьезопреобразователей

Существует ряд способов возбуждения ультразвуковых колеба­ний, в том числе механический, радиационный, лазерный, магнит­ный и др. [2, 4, 5]. В практике диагностирования в полевых условиях для получения и ввода ультразвуковых колебаний применяют специ­альные устройства - преобразователи, основанные на использова­нии электромагнитно-акустического (ЭМА) и пьезоэлектрического эффектов. Важным преимуществом ЭМА-преобразователей является возможность контроля бесконтактным методом через слой изоля­ции. Вместе с тем такие преобразователи, в силу их конструктивных особенностей и низкого коэффициента преобразования, использу­ются для прозвучивания поперечными и продольными волнами по нормали к поверхности объекта контроля и применяются в основ­ном для толщинометрии металлоконструкций.

Наиболее распространенным является способ, основанный на явлении пьезоэлектрического эффекта. Физическая сущность этого эффекта заключается в том, что при механическом растяжении или сжатии на поверхности пластин некоторых твердых материалов по­являются электрические заряды противоположного знака - возника­ет прямой пьезоэффект; наоборот, при подаче на поверхность пластин переменных электрических зарядов пластина начинает сжи­маться и разжиматься - имеет место обратный пьезоэффект. Таки­ми свойствами обладает ряд природных и искусственных материа­лов: кварц, турмалин, сегнетова соль, титанат бария, цирконат-титанат свинца (ЦТС) и др. Схема возникновения прямого и обратного пьезоэффекта приведена на рис. 9.4.

При реализации обратного пьезоэффекта механически вибри­рующая пьезопластинка играет роль «молоточка», посылающего пу­чок упругих колебаний в контролируемый материал. Одновременно та же пластинка под действием прямого пьезоэффекта может служить преобразователем

Рис. 9.4. Схема работы пьезопластины: а – прямой пьезоэффект; б – обратный пьезоэффект

Рис. 9.5. Основные типы пьезопреобразователей:

а — прямой; б — наклонный; в — раздельно-совмешенный

механических колебаний в электрические сигналы. Пьезопластинки являются основным элементом пьезоэлек­трических преобразователей (ПЭП), предназначенных для возбужде­ния и приема ультразвуковых колебаний. Основные преимущества ПЭП, обусловливающие их широкое применение, — высокая эф­фективность преобразования (высокая чувствительность) и простота конструкции. Используют три основные схемы конструктивного ис­полнения контактных ПЭП (рис. 9.5): прямые, наклонные, раздель­но-совмещенные [4].

На поверхности пьезопластины 1 методом осаждения или напы­ления наносят серебряные или медные электропроводные покрытия, одно из которых с помощью проводника 7 подключается к электри­ческому разъему ПЭП, а другие — к металлическому корпусу 5. Толщина пьезопластины принимается равной половине длины вол­ны в пьезоматериале на рабочей частоте ПЭП. В прямых ПЭП (рис. 9.5, а) пьезопластина одной стороной приклеена к демпферу 6, а другой стороной - к протектору 2. Протектор служит для зашиты пьезопластины от механических повреждений и должен обладать вы­сокой износостойкостью. Демпфер в свою очередь служит для гаше­ния свободных колебаний пьезопластины и получения коротких им­пульсов.

Наклонный ПЭП (рис. 9.5, б) отличается от прямого наличием призмы 8, служащей для ввода упругих волн под углом к поверхно­сти изделия. Угол призмы наклонного преобразователя выбирают та­ким, чтобы в изделие проходили волны одного типа в интервале ме­жду первым и вторым критическими углами. Призму обычно изго­товляют из плексигласа, капролона или других материалов с высоким затуханием ультразвука, что обеспечивает быстрое затуха­ние не вошедшей в изделие волны.

Раздельно-совмешенный ПЭП (рис. 9.5, в) представляет собой сдвоенный наклонный ПЭП с малым углом призмы (обычно не бо­лее 10°). Одна половина раздельно-совмещенного ПЭП работает на излучение, а вторая на прием. Для предупреждения прямой передачи сигналов от излучателя к приемнику имеется акустический раздели­тельный экран 9. Угол призмы 8 выбирается в диапазоне от 0..100, что позволяет вводить в изделие волны одного типа без их трансфор­мации. Изменяя углы призмы, их высоту и расстояние между ними, изменяют минимальную и максимальную глубину прозвучивания изделия. Раздельно совмещенные ПЭП сложнее по конструкции, не являются универсальными (предназначены для конкретных глубин прозвучивания), но имеют значительно более низкий уровень помех.

Помимо рассмотренных выше существует большое число раз­личных специальных пьезопреобразователей. Так, например, для контроля труб (особенно с малой толщиной стенки) применяют раздельно-совмещенные пьезопреобразователи «хордового» типа. Их использование позволяет существенно повысить надежность контро­ля сварных стыков труб, что является для нефтегазовой отрасли весьма актуальным.

Используют различные способы ввода ультразвуковых колебаний от ПЭП в объект контроля: бесконтактный воздушный способ, кон­тактный способ и иммерсионный способ. Бесконтактный воздуш­ный способ иногда применяют для контроля изделий из пластмассы и композитных материалов; для контроля металлов этот способ не используется из-за большой разницы волновых сопротивлений. Им­мерсионный способ предусматривает создание акустического кон­такта через слой жидкости. Для этого контролируемое изделие необ­ходимо поместить в ванну с жидкостью (водой) либо применить струйный контакт через струю жидкости.

В подавляющем большинстве случаев используют контактный способ с применением контактной смазки (жидкости). Контактная смазка 4 (см. рис. 9.5) служит для обеспечения акустического кон­такта и передачи ультразвуковых колебаний в объект контроля 3 и обратно. Толщина смазки должна быть меньше длины волны ультра­звука в ней. Это достигается путем прижатия ПЭП к поверхности объекта контроля. Изменение толщины контактной смазки влияет на количественные результаты контроля, поэтому для повышения стабильности результатов при контактном способе контролируемую поверхность предварительно зачищают до шероховатости не хуже К240.

Ультразвуковым волнам присущи общие закономерности рас­пространения в соответствии с явлениями дифракции (огибания) и интерференции (сложения). При размерах излучателя, меньших дли­ны волны, от него распространяются сферические волны, и излуче­ние является ненаправленным. Если размеры излучающей пьезопла­стинки существенно больше размеров длины волны, то ультразвуко­вые волны будут распространяться в виде направленного пучка. В непосредственной близости от излучателя (в зоне Френеля) пучок волн распространяется почти без расхождения, а интенсивность ко­лебаний вдоль пучка непостоянна, имеет скачкообразный характер и определяется явлением интерференции. Протяженность ближней зоны rбл определяется скоростью распространения колебаний С в среде, их частотой/и размером (радиусом) а излучающей пластины

При удалении от излучателя на расстояние r>rбл пучок колебаний распространяется с расхождением под некоторым углом, величина которого определяется соотношением

Интенсивность колебаний в этой зоне (зоне Фраунгофера) вдоль оси пучка будет монотонно убывать в соответствии с закономерно­стями затухания. Направленность пучка ультразвуковых колебаний улучшается с увеличением произведения аf. Интенсивность колеба­ний в поперечном сечении дальней зоны непостоянна и убывает по направлению от оси пучка к его периферии. Характер изменения интенсивности в зависимости от угла между направлением луча и осью пучка определяется диаграммой направленности излучателя. Длина луча, направленного под некоторым углом к оси пучка, в пре­делах диаграммы направленности пропорциональна амплитуде коле­баний в этом направлении. Поэтому от отражателей (дефектов), рас­положенных на одинаковом расстоянии от излучателя, но под раз­ными углами к оси пучка, поступают сигналы, разные по амплитуде. Максимальная амплитуда сигнала будет при расположении отража­теля на оси пучка. Типовая диаграмма направленности дискового из­лучателя в полярных координатах приведена на рис 9.6. За единицу принимают амплитуду звукового давления U0 на оси пучка.

Рис. 9.6. Диаграмма направлен­ности дискового излучателя

При уменьшении угла расхождения увеличивается протяжен­ность ближней зоны rбл. При аf/С < 0,6 в диаграмме направленности возникают боковые лепестки, в которых сосредоточивается до 20 % энергии. В отдельных случаях боковые лепестки могут отражаться от дефектов и давать соответствующие сигналы.

9.5. Аппаратура, методы и технология ультразвукового контроля

Обнаружение и измерение имеющихся в конструкции дефектов осуществляют с помощью ультразвуковых дефектоскопов специально­го или общего назначения. Структурная схема импульсного ультразву­кового эхо-дефектоскопа общего назначения приведена на рис. 9.7.

Импульс ультразвуковых механических колебаний, посылаемых в контролируемое изделие, создается в пьезопреобразователе за счет об­ратного пьезоэффекта. Для этого на пьезоэлемент пьезопреобразова-теля подается короткий электрический импульс, вырабатываемый ге­нератором зондирующих импульсов. Отраженный от донной поверх­ности или от дефекта механический импульс УЗК принимается тем же или другим пьезопреобразователем, работающим в режиме приема, и преобразовывается посредством прямого пьезоэффекта в электриче­ский сигнал. Далее сигнал, усиленный с помощью усилителя, подается на вертикальные отклоняющие элементы экрана, определяющие по­ложение луча на экране дефектоскопа по высоте. Одновременно с ге­ нератором зондирующих импульсов запускается генератор развертки, который вырабатывает линейно увеличивающийся (пилообразный)

Рис. 9.7. Схема ультразвукового дефектоскопа:

1 - пьезопреобразователь; 2 - генератор зондирующих импульсов; 3 - синхронизатор; 4 - генератор горизонтальной развертки; 5 - глубиномер; 6 - блок временной регулировки чувствительности; 7 - усилитель; 8 - автоматический сигнализатор дефектов; 9 - экран дефектоскопа

импульс, подаваемый на горизонтальные отклоняющие элементы эк­рана, для развертки луча в горизонтальной плоскости. Сигналы, по­ступившие от дефекта (Д) или противоположной стороны изделия (донный сигнал), вместе с зондирующим импульсом появляются на экране дефектоскопа в виде пиков соответствующей амплитуды. По­ложение этих пиков на горизонтальной оси определяется временем их прихода и зависит от скорости УЗ колебаний в контролируемом изде­лии, а также глубины залегания дефекта или толщины изделия. С по­мощью глубиномера по времени прихода импульса и известной скоро­сти распространения колебаний определяются соответственно глубина расположения дефектов и толщина изделия.

Автоматический сигнализатор дефектов (АСД) служит для выра­ботки звукового или светового сигналов при появлении импульса от дефекта выше браковочного уровня. Для компенсации затухания ко­лебаний и выравнивания амплитуд импульсов от равных по разме­рам, но расположенных на разной глубине дефектов, служит блок временной регулировки чувствительности (ВРЧ). Синхронизатор обеспечивает синхронную работу генератора зондирующих импуль­сов и генератора развертки, а также управляет работой блоков АСД, ВРЧ и глубиномера.

Современные ультразвуковые дефектоскопы позволяют получать на экране различные типы разверток, что существенно повышает информативность результатов контроля. Основной является разверт­ка типа А, пример которой приведен на рис. 9.7. Развертка типа В позволяет визуализировать расположение дефектов по толщине из­делия. Развертка типа С показывает расположение дефектов в плане в пределах проконтролированной зоны.

Наряду с перечисленными выше элементами неотъемлемой со­ставной частью современных дефектоскопов является высокопроиз­водительный микропроцессор и соответствующее программное обес­печение. Ультразвуковые дефектоскопы последнего поколения, соз­данные на базе микропроцессорной техники, обладают большими функциональными возможностями. Их электронные и дефектоско­пические параметры очень близки, так как во всех приборах исполь­зуются практически одни и те же электронные компоненты. Помимо функциональных возможностей весьма важны также габариты и масса прибора. Самым легким и малогабаритным среди дефектоско­пов общего назначения не только в России, но и в мире, на сего­дняшний день является отечественный цифровой ультразвуковой дефектоскоп общего назначения А1212. На рис. 9.8 представлен де­фектоскоп А1212, преобразователь которого установлен на стандарт­ном образце СО-1.

Настройка уровня поисковой и браковочной чувствительности, а также эталонирование основных параметров ультразвуковых дефек­тоскопов осуществляются с помощью соответствующих стандартных образцов по ГОСТ или специальных стандартных образцов предприятий с искусственными отражателями, имитирующими дефекты. На рис. 9.9 приведен общий вид комплекта стандартных об­разцов КОУ-2.

Рис. 9.8. Ультразвуковой дефектоскоп

А1212 совместно со стандартным

образцом СО-1

Различные методы ультразвукового контроля отличаются схема­ми установки излучателя и приемника ультразвуковых колебаний, их положением относительно объекта контроля. Применяют теневой, зеркально-теневой, эхо-зеркальный и другие методы. Наиболее ши­рокое распространение получил импульсный эхо-метод, основанный на отражении УЗ колебаний от несплошности и приеме отраженных эхо-сигналов. Амплитуда эхо-сигнала на экране дефектоскопа при этом будет пропорциональна размерам дефекта.

В эхо-методе различают три способа установки пьезопреобразователей:

• по раздельной схеме, предусматривающей использование двух
пьезопреобразователей, один из которых выполняет функцию излу­чателя, другой — приемника;

• по раздельно-совмещенной схеме, когда излучатель и прием­ник монтируются в одном корпусе (см. рис. 9.5 в и 9.7);

• по совмещенной схеме, когда один пьезопреобразователь вы­полняет одновременно функции излучателя и приемника.

Рис. 9.9. Комплект стандартных образцов КОУ-2

Рис.9.10 Схема прозвучивания сварных соединений:

а – прозвучивание стыкового шва с неудаленным усилением; б – позвучивание углового сварного шва

Последний способ применяют чаще всего. В зависимости от ме­стоположения пьезопреобразователя контроль (прозвучивание) мо­жет осуществляться прямым, а также одно - и многократно отра­женным лучом. В качестве примера на рис. 9.10 приведены схемы прозвучивания поперечных сечений некоторых типов сварных со­единений. Удаление пьезопреобразователя от сварного шва (l1, l2) оп­ределяется соответствующим геометрическим расчетом. Для контро­ля сварного шва по всей его длине осуществляется соответствующее перемещение пьезопреобразователя (сканирование). При механизи­рованном контроле перемещение осуществляется с помощью меха­нического приводного устройства. При ручном перемещении приме­няют поперечно-продольный или продольно-поперечный способы сканирования. При поперечно-продольном способе пьезопреобразо-ватель перемещается возвратно-поступательно в направлении, пер­пендикулярном оси шва или под небольшим углом к ней с шагом t. Шаг сканирования t обычно принимается равным половине диамет­ра пьезопластинки преобразователя. При продольно-поперечном способе пьезопреобразователь перемещается вдоль шва. Различные способы сканирования представлены на рис. 9.11. В процессе скани­рования пьезопреобразователь непрерывно поворачивают на угол 10...15°.

Наиболее надежный способ обнаружения внутренних дефектов реализуется при прозвучивании объекта контроля прямым лучом (см. рис. 9.10). Вместе с тем при контроле сварных швов с неудален­ным усилением прозвучить удается только корень шва и прилегаю­щую к нему зону. Чем больше ширина валика усиления шва, тем меньше контролируемая зона. Особенно остра данная проблема при контроле сварных соединений малой толщины, например тонко­стенных труб, где отношение высоты и ширины валиков усиления к толщине контролируемого металла значительно больше, а в центре шва образуется

Рис. 9.11. Способы ручного сканирования

неконтролируемая зона. Кроме того, при контроле труб контактные поверхности пьезопреобразователей необходимо притирать с соответствующим радиусом кривизны.

В последние годы для контроля стыковых сварных соединений труб все шире стали использовать раздельно-совмещенные пьезопреобразователи «хордового» типа, изготовляемые, например, НПП «Политест» (, ). Эти пьезопреобразова-тели позволяют за счет расхождения ультразвукового пучка в преде­лах толщины стенки обеспечить практически равномерное (с одина­ковой чувствительностью) прозвучивание всего сечения сварного шва прямым лучом и в значительной мере избавиться от помех, воз­никающих при использовании совмещенного преобразователя: сиг­налов от неровностей валиков усиления; сигналов, возбуждаемых поверхностными волнами; реверберационных шумов совмещенного пьезопреобразователя.

Такие условия контроля обеспечиваются потому, что призмы раздельно-совмещенного пьезопреобразователя наклоняют в про­странстве по отношению к оси трубы под определенными углами, а расстояние между ними 2L (длина хорды) выбирают из соотношения

где R и — соответственно радиус кривизны на­ружной поверхности и толщина стенки трубы. Схема прозвучивания сварного стыка трубы с помощью раздельно-совмещенного пьезо­преобразователя хордового типа приведена на рис. 9.12.

Ультразвуковые колебания, излучаемые пьезопреобразователем, вводятся в трубу в точке А (рис. 9.13). При наличии в изделии де­фекта (отражателя О) волна, падающая на него, зеркально отражает­ся в направлении приемного преобразователя в точку В. Угол ввода ультразвуковой волны

Рис. 9.12. Прозвучивание стыкового сварного соединения

пьезопреобразователем хордового типа: 1- излучающий преобразователь; 2 - то же, приемный

и угол разворота центральных лучей (φ выби­рают таким образом, чтобы центральные лучи диаграмм направлен­ности излучающего и приемного преобразователей и точки А и В на­ходились в одной плоскости, проходящей через середину толщины стенки сечения трубы. Соответствующие углы определяют по фор­мулам

где m – расстояние между хордой АВ и отражателем D

Рис. 9.13. Схема определения углов ввода пьезопреобразователя хордового типа

Контроль сварных стыков труб с помощью раздельно-совмещен­ного пьезопреобразователя хордового типа производится путем пере­мещения пьезопреобразователя только вдоль сварного стыка, одно­временно совершая при этом незначительные (до ±2 мм) возвратно-поступательные перемещения. Контроль выполняется с каждой сто­роны сварного шва.

Разнообразие методических приемов ультразвукового контроля различных деталей и элементов обусловливается многообразием их конструктивного исполнения. Для наиболее ответственных деталей и элементов нефтегазового оборудования разработаны соответствую­щие технологические инструкции, регламентирующие методику их контроля (например, стволов вертлюгов, осей кронблоков, замков бурильных труб, валов турбобуров и др.).

Для механизированного контроля магистральных трубопроводов применяют внутритрубные при - боры-дефектоскопы (см.13.2), имею­щие большое число преобразователей, расположенных по окружно­сти с определенным шагом (обычно 8 мм). Измерительно-регистри­рующая система таких приборов производит циклы измерений через каждые 3 мм по ходу движения, благодаря чему в пределах контро­лируемого участка трубопровода выполняются миллионы измере­ний. Обработка результатов измерений на компьютере позволяет вы­явить участки трубопровода с утонением стенок и наличием наруж­ных и внутренних дефектов.

Ультразвуковые толщиномеры предназначены в основном для определения толщины изделия и, в отличие от дефектоскопов, име­ют существенно более простое устройство, меньшие габариты и мас­су. Например, у них отсутствуют блоки временной регулировки чув­ствительности, автоматического сигнализатора дефектов и др. (см. рис. 10.7). При контроле толщины конструкций, подвергшихся серо­водородному растрескиванию или расслоению, а также изготовлен­ных из сталей с большим содержанием сульфидных включений, рас­катов и др, часто совершаются ошибки, так как большинство тол­щиномеров определяют толщину изделия по пришедшему первым сигналу от дефекта или расслоения. Поэтому наиболее совершенные модели ультразвуковых толщиномеров снабжаются экранами, на ко­торые выводится развертка типа А. Это позволяет выявить донный сигнал и отличить его от сигнала от расслоения.

Большинство моделей толщиномеров наряду с толщиной позво­ляет измерять также и скорость распространения или время распро­странения УЗ волны. Точное измерение этих параметров позволяет использовать ультразвуковые толщиномеры также и для других це­лей: например, для экспресс-анализа марки металла по скорости распространения в нем ультразвука. Перспективным также является применение высокоточных толщиномеров для контроля напряжен­ного состояния и усилия затяжки болтов ответственного оборудова­ния и агрегатов.

Известно, что вследствие акустоупругого эффекта скорость рас­пространения УЗ волны зависит не только от материала объекта, но и от его напряженного состояния. При одноосном напряженном со­стоянии и неизменной температуре задача контроля резко упрощает­ся. Так, по известному времени распространения УЗ импульса на длине болта в незатянутом t и затянутом t0 состоянии напряжение можно рассчитать по формуле

где Е – модуль упругости материала болта; акустоупругий коэффициент распространения УЗ волн; k – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения напряжения в гладкой и резьбовой частях болта:

где l – общая длина болта; l0 и lp – длины гладкого и нарезанного участков; d0 и dp их диаметры.

Усилие затяжки болта определяется по формуле

Такой подход к определению FЭ является в настоящее время наиболее распространенным [17, т.4, с.183].

10. АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЙ МЕТОД

10.1. Источники акустической эмиссии

При разрушении почти все материалы издают звук («крик оло­ва», известный с середины XIX столетия, треск ломающейся древе­сины, льда и др.), т. е. испускают акустические волны, воспринимае­мые на слух. Большинство конструкционных материалов (например, многие металлы и композиционные материалы) начинают при на-гружении испускать акустические колебания в ультразвуковой (не­слышимой) части спектра еще задолго до разрушения. Изучение и регистрация этих волн стала возможной с созданием специальной аппаратуры. Особенно интенсивно работы в этом направлении стали развиваться с середины 60-х годов XX в. в связи с необходимостью контроля особо ответственных технических объектов: ядерных реак­торов и трубопроводов АЭС, корпусов ракет и др.

Под акустической эмиссией (эмиссия - испускание, генерация) понимается возникновение в среде упругих волн, вызванных изме­нением ее состояния под действием внешних или внутренних факто­ров. Акустико-эмиссионный метод основан на анализе этих волн и является одним из пассивных методов акустического контроля. В со­ответствии с ГОСТ «Акустическая эмиссия. Термины, оп­ределения и обозначения» механизмом возбуждения акустической эмиссии (АЭ) является совокупность физических и (или) химиче­ских процессов, происходящих в объекте контроля. В зависимости от типа процесса АЭ разделяют на следующие виды:

•  АЭ материала, вызываемая динамической локальной перестройкой его структуры;

•  АЭ трения, вызываемая трением поверхностей твердых тел в местах приложения нагрузки и в соединениях, где имеет место по­датливость сопрягаемых элементов;

•  АЭ утечки, вызванная результатом взаимодействия протекаю­щей через течь жидкости или газа со стенками течи и окружающимвоздухом;

•  АЭ при химических или электрических реакциях, возникающих в результате протекания соответствующих реакций, в том числе сопровождающих коррозийные процессы;

•  магнитная и радиационная АЭ, возникающая соответственно при перемагничивании материалов (магнитный шум) или в результа­те взаимодействия с ним ионизирующего излучения;

•  АЭ, вызываемая фазовыми превращениями в веществах и ма­териалах.

Таким образом, АЭ — явление, сопровождающее едва ли не все физические процессы, протекающие в твердых телах и на их поверх­ности. Возможности регистрации ряда видов АЭ вследствие их малости, особенно АЭ, возникающих на молекулярном уровне, при дви­жении дефектов (дислокаций) кристаллической решетки, ограничи­вается чувствительностью аппаратуры, поэтому в практике АЭ контроля большинства промышленных объектов, в том числе объек­тов нефтегазовой промышленности, используют первые три вида АЭ. При этом необходимо иметь в виду, что АЭ трения создает шум, приводит к образованию ложных дефектов и является одним из ос­новных факторов, усложняющих применение АЭ метода. Кроме того, из АЭ первого вида регистрируются только наиболее сильные сигналы от развивающихся дефектов: при росте трещин и при пла­стическом деформировании материала. Последнее обстоятельство придает АЭ методу большую практическую значимость и обусловли­вает его широкое применение для целей технической диагностики. Целью АЭ контроля является обнаружение, определение коорди­нат и слежение (мониторинг) за источниками акустической эмис­сии, связанными с несплошностями на поверхности или в объеме стенки объекта контроля, сварного соединения и изготовляемых час­тей и компонентов. Все индикации, вызванные источниками АЭ, должны быть при наличии технической возможности оценены дру­гими методами неразрушающего контроля.

10.2. Виды сигналов АЭ

Регистрируемую промышленной серийной аппаратурой АЭ раз­деляют на непрерывную и дискретную. Непрерывная АЭ регистриру­ется как непрерывное волновое поле с большой частотой следования сигналов, а дискретная состоит из раздельных различимых импуль­сов с амплитудой, превышающей уровень шума. Непрерывная соот­ветствует пластическому деформированию (течению) металла или истечению жидкости или газа через течи, дискретная - скачкообраз­ному росту трещин.

Размер источника излучения дискретной АЭ невелик и сопоста­вим с длиной излучаемых волн. Его можно представить в виде квази­точечного источника, расположенного на поверхности или внутри материала и излучающего сферические волны или волны других ти­пов. При взаимодействии волн с поверхностью (границей раздела двух сред) происходит их отражение и трансформация. Волны, рас­пространяющиеся внутри объемов материала, быстро слабнут из-за затухания. Поверхностные волны затухают с расстоянием значитель­но меньше объемных, поэтому они преимущественно и регистриру­ются приемниками АЭ.

Регистрация сигнала от источника АЭ осуществляется одновре­менно с шумом постоянного или переменного уровня (рис. 10.1) [7]. Шумы являются одним из основных факторов, снижающих эффективность АЭ контроля.

Рис. 10.1. Общая схема регистрируемого сигнала АЭ на фоне шумов:

1 - осцилляции; 2 - плаваюший порог; 3 - осцилляции без учета

плавающего порога; 4 - шум

Ввиду разнообразия причин, вызывающих их появление, шумы классифицируются в зависимости от:

•  механизма генерации (источника происхождения) - акустиче­ские (механические) и электромагнитные;

•  вида сигнала шумов - импульсные и непрерывные;

• расположения источника - внешние и внутренние.
Основными источниками шумов при АЭ контроле объектов яв­ляются:

•  разбрызгивание жидкости в емкости, сосуде или трубопроводе при его наполнении;

•  гидродинамические турбулентные явления при высокой скоро­сти нагружения;

•  трение в точках контакта объекта с опорами или подвеской, а
также в соединениях, обладающих податливостью;

•  работа насосов, моторов и других механических устройств;
• действие электромагнитных наводок;

•  воздействие окружающей среды (дождя, ветра и пр.);

• собственные тепловые шумы преобразователя АЭ и шум вход­ных каскадов усилителя (предусилителя).

Для подавления шумов и выделения полезного сигнала обычно Применяют два метода: амплитудный и частотный. Амплитудный заключается в установлении фиксированного или плавающего Уровня дискриминационного порога Uп, ниже которого сигналы АЭ аппаратура не регистрирует. Фиксированный порог устанавли­вается при наличии шумов постоянного уровня, плавающий - пе­ременного. Плаваюший порог Uпп устанавливаемый автоматически за счет отслеживания общего уровня шумов, позволяет, в отличие от фиксированного, исключить регистрацию части сигналов шума как сигнала АЭ.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20