Основы технической диагностики нефтегазового оборудования
..pdfа
Рис. 9.1. Характер деформации твердых тел при распространении в них упругих волн некоторых типов:
а — продольные (растяжение—сжатие); б — поперечные (сдвиговые); в — нормальные несимметричные (изгибные); г — нормальные симметричные (нормальные расшире ния-сжатия)
Продольными называют волны, когда частицы упругой среды ко леблются в направлении распространения волны, подвергаясь при этом поочередно деформациям растяжения-сжатия. Скорость С, продольной волны определяют по формуле
1 Е(\ - у)
с,
р(1 + v)(l - 2v)’
где Е — модуль упругости; v — коэффициент Пуассона; р — плотность среды.
Если частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения, испытывая деформации сдвига, такие волны назы вают поперечными или сдвиговыми. Поперечные волны могут возни кать только в твердых средах, обладающих сдвиговой упругостью. Скорость поперечной волны С, ~ 0,55 С,.
На поверхности твердого тела могут распространяться поверх ностные волны (волны Рэлея). Они состоят из комбинации про дольных и поперечных волн и имеют скорость распространения С5= 0,93С,. Колебания частиц происходят по эллиптической траекто рии, при этом большая ось эллипса перпендикулярна поверхности. В металлах поверхностные волны практически затухают на глубине,
превышающей 1,5А. Вместе с тем поверхностные волны распростра няются на большие расстояния, следуя изгибам поверхности. Если среда ограничена двумя поверхностями, расстояние между которыми соизмеримо с длиной волны, то в такой тонкой пластине распро страняются нормальные пластинчатые волны (их называют также волнами Лэмба). Характеристики основных типов волн приведены в табл. 9.1 [2, 4].
Среда |
Тип (название) волны |
Характеристика волны |
Скорость |
|
распространения |
распространения |
|||
|
|
Жидкость или |
Продольные (растя |
Периодические расшире |
газ |
жения-сжатия) |
ния и сжатия „среды |
Безграничное |
Продольные (растя |
Частицы колеблются в на |
твердое тело |
жения-сжатия, без |
правлении распростране |
|
вихревые) |
ния волны |
|
Поперечные (сдвига, |
Частицы колеблются |
|
эквиволюминаль- |
в плоскости, перпендику |
|
ные) |
лярной направлению рас |
|
|
пространения волны |
Поверхность |
Поверхностные |
Волна распространяется по |
полубезгра- |
(Рэлея) |
поверхности |
ничного тела |
Головные (ползу |
Быстро затухают вдоль по |
|
щие) |
верхности вследствие пере- |
|
|
излучения |
Бесконечная |
Нормальные несим |
Изгиб пластины со сдви |
пластина тол |
метричные (изгиб- |
гом |
щиной И |
ные, Лэмба) |
|
|
Нормальные сим |
Продольные колебания |
|
метричные (нор |
с изменением поперечных |
|
мальные расшире |
размеров |
|
ния-сжатия, Лэмба) |
|
Бесконечный |
Изгиба |
Изгиб стержня со сдвигом |
стержень диа |
|
|
метром d |
Продольные (растя |
Продольные колебания |
|
||
|
жения-сжатия) |
с изменением поперечных |
|
|
размеров |
Бесконечный |
Крутильные |
Вращение элементов во |
стержень или |
|
круг оси |
труба |
|
|
С
С,
С, ~ 0,55С,
С5~ 0,93 С,
С,
£рф 0 при И/\ -»0
CpsQ~
при h/X -»0
Cbq0 0 при d/X -» 0
Quo ~ 0,86С/
Q/ = Q
В зависимости от источника возбуждения могут возникать и дру гие виды волн: сферические, возбуждаемые точечным источником, размеры которого меньше длины волны, цилиндрические, которые возбуждаются цилиндрическим источником (стержнем), длина кото рого значительно больше поперечных размеров, и др.
При проведении УЗД и УЗТ металла и сварных соединений ис пользуют в основном поперечные и продольные волны.
9.2. Затухание ультразвука
Распространение ультразвуковой волны, вызванной колебатель ными движениями возбужденных частиц благодаря упругим силам между ними, сопровождается переносом энергии. Количество энер гии, переносимое волной за 1 с через 1 см2 площади, перпендику-
142
лярной направлению распространения, называют интенсивностью ультразвука. Интенсивность ультразвуковых колебаний частиц обыч но невелика (энергия волны не более 100 Вт/см2) и не выходит за пределы упругих деформаций, где напряжения и деформации связа ны линейной зависимостью.
Интенсивность ультразвука по мере прохождения в среде умень шается за счет ее волнового сопротивления z- Величина этого сопро тивления, часто называемого характеристическим импедансом, зави
сит от плотности среды р, скорости распространения волн С и опре деляется выражением
z = pC.
Размерность волнового сопротивления (характеристического им-
педанса) составит: [z] = |
—. Заменим кг = |
- (масса равна силе, |
м3 |
с |
м |
деленной на ускорение). Отсюда размерность [z] = — — = Па- с/м. м2 м
Интенсивность ультразвука J пропорциональна квадрату ампли туды упругого смещения и квадрату частоты колебаний:
J = InhlP f2,
где U— амплитуда упругого смещения частиц среды; / — частота ко лебаний.
Из последнего выражения следует, что чем бблыним акустиче ским сопротивлением обладает среда, тем ббльшая энергия требует ся для возбуждения в ней волн заданной частоты и амплитуды. По мере прохождения волны от источника излучения амплитуда упруго го смещения частиц уменьшается и интенсивность ультразвука пада ет. Затухание интенсивности происходит по двум основным причи нам: поглощения и рассеяния. Коэффициент затухания а соответст венно состоит из двух слагаемых:
^ |
^71огл |
^рас J |
где а погл — коэффициент поглощения, определяемый вязкостью сре ды и частотой колебаний; а рас — коэффициент рассеяния, завися щий от структуры, упорядоченности расположения и размера зерен кристаллов.
Поглощение — это процесс перехода энергии колебаний в тепло вую, обусловленный трением колеблющихся частиц. Поглощение будет тем больше, чем больше частота колебаний. При рассеянии происходят преломление и трансформация ультразвуковых волн. Рассеяние обусловлено кристаллической структурой металлов и сплавов. При прохождении ультразвуковой волны через границы кристаллов волна частично отражается, преломляется и трансформи-
руется. Рассеяние по этим причинам может быть_значительным. Максимальное рассеяние имеет место при X ~ (1...4)Z), где D — сред ний размер зерна.
В углеродистых сталях зерна состоят из большого числа хаотично расположенных мелких пластинок перлита и цементита (Fe3C). Раз меры их значительно меньше длины волны', и затухание ультразвука определяется в основном поглощением. В аустенитных сталях и осо бенно в сварных соединениях происходит упорядочение ориентации кристаллов, а их размеры становятся соизмеримы с длиной волны. Поэтому в связи с повышенным рассеянием проведение УЗД таких сталей часто затруднено или невозможно.
Снижение интенсивности ультразвука вследствие его затухания в зависимости от пройденного в материале расстояния происходит по экспоненциальному закону:
Г — Т р-2ах J(x) J0е >
где Jix) — интенсивность ультразвука на расстоянии х от источника излучения, интенсивность излучения которого / 0; а — коэффициент затухания.
Чем больше коэффициент затухания, тем значительнее ослабле ние ультразвука, а следовательно, меньше глубина его проникнове ния. Поскольку амплитуда волны пропорциональна корню квадрат ному из интенсивности ультразвука, влияние затухания на амплиту ду описывается формулой
Ux =
Для оценки ослабления в большинстве случаев нет необходимо сти определять интенсивность J или амплитуду U в абсолютных еди ницах. Чаще бывает достаточно определить их величину относитель но некоторого постоянного (опорного) уровня (J0; U0). В этом случае для выражения относительной величины J/J0 = U/U0 используют специальные единицы — децибелы. Число децибел N определяют по формулам
N = 10 lg -jf-; N = 20 lg |
“ о |
•>o |
В практике УЗД, когда контролируется соотношение амплитуд колебаний, для определения N обычно используют вторую формулу.
Децибельная шкала очень удобна, поскольку амплитуды могут отличаться на 1...3 порядка, т. е. в 10, 100, 1000 раз. В единицах измерения это увеличение составит соответственно 20, 40, 60 дБ, т. е. это величины одного порядка. Кроме того, эти величины, согласно основным свойствам логарифмов, можно суммировать и вычитать. Например, если известно затухание (ослабление) ультразвука в деци-
144
белах при прохождении отдельных участков пути ультразвуковой волны, то результирующее затухание определится как сумма состав ляющих затухания на каждом участке.
Для пересчета относительных единиц U/UQв децибелы и обрат но можно воспользоваться табл. 9.2.
|
|
|
|
|
Таблица 9.2 |
дБ |
Относительные |
дБ |
Относительные |
дБ |
Относительные |
единицы |
единицы |
единицы |
|||
60 |
1000 |
4 |
1,58 |
-5 |
0,56 |
50 |
316 |
3 |
1,41 |
-6 |
0,5 |
40 |
100 |
2 |
1,26 |
-10 |
0,316 |
30 |
31,6 |
1 |
1,12 |
-20 |
0,1 |
20 |
10 |
0 |
1 |
-30 |
0,0316 |
10 |
3,16 |
-1 |
0,89 |
-40 |
0,01 |
6 |
2 |
-2 |
0,79 |
-50 |
0,00316 |
5 |
1,78 |
-4 |
0,63 |
-60 |
0,001 |
9.3. Трансформация ультразвуковых волн
Трансформация (расщепление и изменение типа) ультразвуко вых 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 про исходит и та часть энергии, которая проходит во вторую среду, рас пространяется в ней в том же направлении.
Коэффициент отражения R, характеризующий интенсивность отраженной волны, зависит от акустического сопротивления первой Z\ и второй z2 сред и определяется по формуле
2 |
Гр,с, - P2C2V |
Гг, - г2' |
|
U + J |
,Р,С, + 92^2 ; |
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 ультразву ковой волны из стали в воздух интенсивность отраженной волны со ставляет более 90 %. Аналогичный эффект возникает при обнаруже нии внутри металла областей (объемов) с малым акустическим со-
10-6245
противлением: газовых пузырей, пустот, инородных включений и других несплошностей. Для получения заметного отражения доста точно, чтобы размеры несплошности были соизмеримы с длиной волны. При меньших размерах волна огибает несплошность без су щественного отражения.
Переход ультразвуковой волной границы раздела двух сред под некоторым углом сопровождается как отражением и преломлением, так и трансформацией: расщеплением падающей волны и появлени ем иных типов волн. Так, при падении из первой среды продольной волны Сл на границу раздела сред под некоторым углом рл в общем случае могут возникнуть еще четыре волны. Схема их образования приведена на рис. 9.2, где Сп — падающая и отраженная продольная волна; Сп — отраженная поперечная (трансформированная) волна; С/2 — преломленная продольная волна; Са — преломленная попереч ная волна.
Все углы отсчитываются от перпендикуляра к границе в точку раздела волн. Углы прохождения волн во второй среде (углы прелом ления) определяются ее акустическим сопротивлением. С увеличе нием угла падения рл углы преломления ап и а,2 увеличиваются. Уг лы падения, отражения и преломления связаны со скоростью рас пространения этих волн соотношением (законом Снелиуса)
При увеличении аа до 90° продольная волна во второй среде ис чезает. Значение угла падения рл в этом случае называют первым критическим углом ркр1 (рис. 9.3). Значение угла падения, при кото ром во второй среде исчезает и поперечная волна (ос,2 = 90°), называ ют вторым критическим углом Ркр2.
С,
С/
п
Рис.9.2. Схема отражения, преломления |
Рис. 9.3. Схема образования первого |
и трансформации продольных волн |
критического угла |
146
9.4. Способы получения и ввода ультразвуковых колебаний. Конструкция пьезопреобразователей
Существует ряд способов возбуждения ультразвуковых колеба ний, в том числе механический, радиационный, лазерный, магнит ный и др. [2, 4, 5]. В практике диагностирования в полевых условиях для получения и ввода ультразвуковых колебаний применяют специ альные устройства — преобразователи, основанные на использова нии электромагнитно-акустического (ЭМА) и пьезоэлектрического эффектов. Важным преимуществом ЭМА-преобразователей является возможность контроля бесконтактным методом через слой изоля ции. Вместе с тем такие преобразователи, в силу их конструктивных особенностей и низкого коэффициента преобразования, использу ются для прозвучивания поперечными и продольными волнами по нормали к поверхности объекта контроля и применяются в основ ном 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 по являются электрические заряды противоположного знака —возника ет прямой пьезоэффект; наоборот, при подаче на поверхность пластин переменных электрических зарядов пластина начинает сжи маться и разжиматься — имеет место обратный пьезоэффект. Таки ми свойствами обладает ряд природных и искусственных материа лов: кварц, турмалин, сегнетова соль, титанат бария, цирконат-тита- нат свинца (ЦТС) и др. Схема возникновения прямого и обратного пьезоэффекта приведена на рис. 9.4.
При реализации обратного пьезоэффекта механически вибри рующая пьезопластинка играет роль «молоточка», посылающего пу чок упругих колебаний в контролируемый материал. Одновременно та же пластинка под действием прямого пьезоэффекта может слу-
i
Рис. 9.4. Схема работы пьезопластины:
а — прямой пьезоэффект; |
а |
б |
б — обратный пьезоэффект |
ю*
1
Рис. 9.5. Основные типы пьезопреобразователей:
а — прямой; б — наклонный; в — раздельно-совмещенный
жить преобразователем механических колебаний в электрические сигналы. Пьезопластинки являются основным элементом пьезоэлек трических преобразователей (ПЭП), предназначенных для возбужде ния и приема ультразвуковых колебаний. Основные преимущества ПЭП, обусловливающие их широкое применение, — высокая эф фективность преобразования (высокая чувствительность) и простота конструкции. Используют три основные схемы конструктивного ис полнения контактных ПЭП (рис. 9.5): прямые, наклонные, раздель но-совмещенные [4].
На поверхности пьезопластины 1 методом осаждения или напы ления наносят серебряные или медные электропроводные покрытия, одно из которых с помощью проводника 7 подключается к электри ческому разъему ПЭП, а другие — к металлическому корпусу 5. Толщина пьезопластины принимается равной половине длины вол ны 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 защиты пьезопластины от механических повреждений и должен обладать вы сокой износостойкостью. Демпфер в свою очередь служит для гаше ния свободных колебаний пьезопластины и получения коротких им пульсов.
Наклонный ПЭП (рис. 9.5, 6) отличается от прямого наличием призмы 8, служащей для ввода упругих волн под углом к поверхно сти изделия. Угол призмы наклонного преобразователя выбирают та ким, чтобы в изделие проходили волны одного типа в интервале ме жду первым и вторым критическими углами. Призму обычно изго товляют из плексигласа, капролона или других материалов с высоким затуханием ультразвука, что обеспечивает быстрое затуха ние не вошедшей в изделие волны.
Раздельно-совмещенный ПЭП (рис. 9.5, в) представляет собой сдвоенный наклонный ПЭП с малым углом призмы (обычно не бо
не
лее 10°). Одна половина раздельно-совмещенного ПЭП работает на излучение, а вторая на прием. Для предупреждения прямой передачи сигналов от излучателя к приемнику имеется акустический раздели тельный экран 9. Угол призмы 8 выбирается в диапазоне от 0...100, что позволяет вводить в изделие волны одного типа без их трансфор мации. 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 раз личных специальных пьезопреобразователей. Так, например, для контроля труб (особенно с малой толщиной стенки) применяют раздельно-совмещенные пьезопреобразователи «хордового» типа. Их использование позволяет существенно повысить надежность контро ля сварных стыков труб, что является для нефтегазовой отрасли весьма актуальным.
Используют различные способы ввода ультразвуковых колебаний от ПЭП в объект контроля: бесконтактный воздушный способ, кон тактный способ и иммерсионный способ. Бесконтактный воздуш ный способ иногда применяют для контроля изделий из пластмассы и композитных материалов; для контроля металлов этот способ не используется из-за большой разницы волновых сопротивлений. Им мерсионный способ предусматривает создание акустического кон такта через слой жидкости. Для этого контролируемое изделие необ ходимо 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 кон такта и передачи ультразвуковых колебаний в объект контроля 3 и обратно. Толщина смазки должна быть меньше длины волны ультра звука 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 Rz40.
Ультразвуковым волнам присущи общие закономерности рас пространения в соответствии с явлениями дифракции (огибания) и интерференции (сложения). При размерах излучателя, меньших дли ны волны, от него распространяются сферические волны, и излуче ние является ненаправленным. Если размеры излучающей пьезопла стинки существенно больше размеров длины волны, то ультразвуко вые волны будут распространяться в виде направленного пучка. В непосредственной близости от излучателя (в зоне Френеля) пучок волн распространяется почти без расхождения, а интенсивность ко лебаний вдоль пучка непостоянна, имеет скачкообразный характер и
определяется явлением интерференции. Протяженность ближней зоны /бл определяется скоростью распространения колебаний С в среде, их частотой/ и размером (радиусом) а излучающей пластины:
'бл |
« 7 |
с ’ ~ |
При удалении от излучателя на расстояние г > гбл пучок колеба ний распространяется с расхождением под некоторым углом фр, ве личина которого определяется соотношением
( |
|
С |
ср_ = arcsin |
0,61 — |
|
V |
я/ |
|
Интенсивность колебаний в этой зоне (зоне Фраунгофера) вдоль оси пучка будет монотонно убывать в соответствии с закономерно стями затухания. Направленность пучка ультразвуковых колебаний улучшается с увеличением произведения af. Интенсивность колеба ний 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 пре делах диаграммы направленности пропорциональна амплитуде коле баний в этом направлении. Поэтому от отражателей (дефектов), рас положенных на одинаковом расстоянии от излучателя, но под раз ными углами к оси пучка, поступают сигналы, разные по амплитуде. Максимальная амплитуда сигнала будет при расположении отража теля на оси пучка. Типовая диаграмма направленности дискового из лучателя в полярных координатах приведена на рис 9.6. За единицу принимают амплитуду звукового давления U0 на оси пучка.