4.АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

4.1.Основные понятия волнового процесса

Акустические методы контроля основаны на излучении и (или) приеме акустических волн в широком частотном диапазоне: от 20 кГц до 15 МГц. При акустическом неразрушающем контроле нефтегазового оборудования используют более узкий диапазон: от 1,0 МГц до

10 МГц.

Акустический контроль основан на анализе упругих колебаний, которые распространяются в твердом теле. Упругие колебания могут самопроизвольно возникать в теле (например при распространении трещин), в этом случае контроль называется пассивным (эмиссионный метод). В других случаях колебания специально возбуждают в теле, тогда контроль называют активным (теневой, свободных колебаний, эхо-импульсный, резонансный, импедансный и велосиметрический методы) [4].

Упругие колебания среды – это звук, соответственно этот вид контроля иногда называют звуковым. В зависимости от частотного диапазона различают собственно слышимый звук (частоты от 16 Гц до 20 КГц), инфразвук (частоты менее 16 Гц) и ультразвук (частоты более 20 КГц). Наиболее широко для неразрушающего контроля используется ультразвук, причем на частотах порядка 1…5 МГц. На этих частотах становится возможным обнаруживать дефекты размером около 1 мм. Разрешающая способность метода связана с длиной звуковой волны: чем она короче – тем мельче дефекты, которые мож-

но обнаружить. Если скорость звука в металле = 5 км/с, а частота f = 5 МГц, то длина волны λ = 1 мм.

Минимальный размер дефекта, который можно обнаружить, определяется разрешающей способностью метода, зависящей от длины волны ультразвука. На частоте 2 МГц длина волны в стали примерно 2,5 мм – такого порядка дефекты могут быть выявлены. Максимальная глубина залегания дефекта, на которой он может быть обнаружен (глубина прозвучивания), зависит от степени затухания ультразвуковых импульсов в объекте контроля (ОК). Затухание, как уже было установлено, определяется структурными особенностями объекта контроля, в частности акустической однородностью. Глубина прозвучивания может достигать 0,5 м и более. Однако у самой поверхности ОК есть так называемая «мертвая зона» – область, где дефекты не выяв-

49

ляются. Ее глубина достигает нескольких миллиметров. Причина ее возникновения – протяженность во времени УЗ импульса – пока не закончится излучение одного импульса, невозможен прием другого.

Колебательный процесс частиц среды характеризуется амплитудой – максимальным отклонением частицы от положения равновесия. Колебание одних частиц среды передается соседним за счет упругости среды. Упругость – свойство частиц среды возвращаться в первоначальное состояние. Распространение колебательного процесса в пространстве и во времени называют волнами. В твердом теле могут распространяться два типа волн – продольные и поперечные. Схематично перемещение атомов тела при этом показано на рис. 4.1.

Продольные волны называют волнами сжатия – разряжения, а поперечные – волнами сдвига. В продольных волнах направление смещений частиц среды (рис. 4, а) совпадает с направлением распространения волны, а поперечные волны распространяются в плоскости, перпендикулярной смещениям частиц. Скорость распространения продольных волн сl выше, чем поперечных сt. В жидкостях и газах могут распространяться только продольные волны. Скорость звука в разных средах разная – в металлах она значительно выше чем в воздухе и равна нескольким километрам в секунду. На границах сред звуковые волны, как и свет, испытывают отражение и преломление. Распространение упругих волн в твердом теле определяется параметрами среды, из которых основными являются: плотность, упругость и структура. Скорость звука некоторых твердых тел представлена в табл. 4.1 .

а

б

Рис. 4.1. Упругие волны в твердом теле: а – продольная волна, б – поперечная волна

50

Таблица 4.1

Скорость звука, распространяющаяся в различных материалах

4.2. Излучение и прием акустических волн

Наиболее распространенный метод излучения и приема акустических волн основан на использовании пьезоэлектрического эффек-

та.

Прямой пьезоэффект связан с тем, что механическое воздействие (например сжатие) на особого рода кристаллы (пьезокристаллы) вызывает их поляризацию: одна грань заряжается положительно, другая отрицательно, при растяжении знак меняется на обратный [8].

Обратный пьезоэффект: если кристалл поляризовать (прикладывать к граням напряжение), то он либо сжимается, либо растягивается соответственно поляризации. Пьезоэлектрический эффект связан с тем, что молекулы кристалла полярны, представляют собой диполи. При отсутствии механического воздействия эта система нейтральна. Приложение механической нагрузки приводит к тому, что диполи слегка поворачиваются, нарушается электрическая нейтральность и наблюдается поляризация (возникает заряд на гранях кристалла).

На рис. 4.2 показано устройство ультразвукового пьезоэлектрического излучателя-приемника. Здесь 1 – пла- стинка-пьезопреобразователь с посеребренными торцами 3 для присоединения электродов, 2 – это демпфер – резиноподобное вещество, которое гасит паразитные колебания, 4 – протек-

51

тор (это защитный слой, предохраняющий пьезопластинку 1 от истирания), 5 – слой жидкости для улучшения контакта с объектом контроля.

Для того чтобы ввести ультразвуковые колебания в тело, необходим хороший акустический контакт. На рис. 4.3 показаны различные варианты прохождения ультразвука из одного тела (излучателя) в другое (объект контроля). На рис. 4.3, а показано, что наличие шероховатости ухудшает акустический контакт, вызывая отражение на границе. Присутствие на границе тонкой жидкостной пленки значительно улучшает акустический контакт (рис. 4.3, б). Чаще всего для создания такой пленки используют масло или глицерин. Хороший контакт возникает, когда оба тела помещены в ванну с жидкостью. Этот метод акустического контакта называется иммерсионным [8].

Создание хорошего акустического контакта представляет определенную трудность.

4.3. Активные методы акустической дефектоскопии

Основные методы акустической дефектоскопии – теневой и эхометод [8].

Теневой метод связан с прохождением ультразвукового сигнала через объект контроля и улавливанием его на противоположной сто-

роне (рис. 4.4 – 4.5).

52

тель амплитуды электрических колебаний. Если в теле встречаются дефекты 9, то амплитуда прошедших импульсов уменьшается. Таким образом, сканируя поверхность, определяется, в каких областях находятся дефекты.

зует механические импульсы колебаний в электрические. Далее через усилитель 2 отраженный сигнал попадает в измерительный блок 3, где измеряется не только амплитуда, но и время прохождения импульса через объект контроля. На рис. 4.6 представлено отображение импульсов на экране измерительного блока [8].

53