книги из ГПНТБ / Неразрушающие методы контроля металлов на тепловых электростанциях

ставляющих собой границы раздела двух сред с различ­ ными акустическими свойствами. Как известно, ультра­ звуковые волны — это упругие колебания среды, часто­

та которых превышает 20 кгц.

Как всякое колебательное движение, ультразвуковые волны характеризуются частотой, скоростью распростра-

а)

тота ультразвука.

При распространении ультразвуковых колебаний име­

ют место явления дифракции, интерференции, ревербе­

рации, преломления и отражения, характерные для всех

волновых движений.

Ультразвуковые волны могут быть продольными, по­

перечными, поверхностными в зависимости от направле­ ния колебания частиц среды по отношению к направле­

нию движения волны (рис. 52). В металлах возбуждают­

ся все типы волн, в газах и жидкостях — только про­ дольные.

Скорость распространения ультразвуковой волны за­ висит от типа волны, плотности и упругих свойств сре-

110'

1

ды. В табл. 10 приведены скорости распространения

ультразвуковых волн в некоторых материалах.

Если ультразвуковая волна направлена перпендику­

лярно к поверхности раздела двух твердых тел, то отра­

женная и проходящая волны будут такого же типа, как и падающая, если же наклонно, то на границе раздела возникают две преломленные волны — продольная и по­

перечная, от границы раздела отражаются также две

волны—продольная и поперечная (рис. 53).

Для падающей и отраженной однотипных волн со­

блюдается закон — угол падения равен углу отражения. Если скорость распространения волн в одной среде мень­ ше скорости распространения их в другой среде, то при увеличении угла падения наступает такой момент, когда продольная волна после преломления уже не передается

во вторую среду, а начинает скользить вдоль поверхно­

сти; соответствующий угол падения называется первым критическим утлом. При дальнейшем увеличении угла

падения наступает момент, когда угол преломления по­ перечной волны достигает 90°. Этот угол падения назы­ вается вторым критическим углом. Если угол падения

превышает второй критический, то ультразвуковые вол­

ны во вторую среду не передаются совершенно. Величи­ ны критических углов зависят от соотношения скоростей

волны в первой и второй средах. Зная скорости волн в

средах, эти углы можно вычислить из соотношения

Ill

(отраженные волньґусловно не показаны).

отношения (38) для определения критических углов по­

лучаются следующие выражения:

sina',

112

будет меньше 29°, то в стали будут одновременно рас­

распространяется поверхностная волна, а если угол па­

дения превышает 61°, то во вторую среду (сталь) волны

не попадают совершенно.

При ультразвуковой дефектоскопии важными харак­ теристиками сред, в которых распространяются ультра­ звуковые колебания, является их акустическое сопротив­

теризующие прозрачность границы раздела для ультра­

звука, зависят от отношения акустических сопротивле­

ний сред, образующих границу раздела. Коэффициенты

отражения и проницаемости не зависят от частоты ульт­

развука только в тех случаях, когда площадка раздела

двух сред (несплошность или другое препятствие) вели­ ка по сравнению с длиной падающей волны. Если раз­

меры площадки раздела двух сред (препятствия) срав­

нимы с длиной ультразвуковой волны, то возникает яв­ ление огибания волной препятствия — дифракция. Диф- ~ ракцию ультразвуковых волн необходимо учитывать в ультразвуковой дефектоскопии, так как она наклады­

вает определенные ограничения на чувствительность ме­

тода. `

Ультразвуковые колебания, распространяясь в среде,

теряют часть своей энергии на возбуждение волнового процесса—происходит поглощение энергии колебаний.

Эффект поглощения ультразвуковых колебаний накла­

дывает ограничения на выбор частоты колебаний и тол-

`щины изделия, подвергаемого дефектоскопии, так как поглощение возрастает с увеличением частоты колеба­ ний и толщины изделия. Поэтому для дефектоскопии ме­ таллов с увеличением толщины изделий необходимо при­

менять ультразвуковые колебания более низких частот. C другой стороны, уменьшение частоты колебаний (уве­ личение длины ,волны) приводит к снижению чувстви­ тельности метода ультразвуковой дефектоскопии вслед­ ствие явления дифракции.

При распространении ультразвука в крупнозернистом

или неоднородном металле возникает явление ревербе­

рации, т. е. многократное отражение колебаний на гра­ ницах зерен или неоднородностей, рассеяние и поглоще­

ние их в металле. Увеличение неоднородностей и зерен

до размеров, близких длине ультразвуковой волны, при­

водит к резкому увеличению потерь ультразвуковой

энергии в материале.

Длины волн ультразвуковых колебаний в стали при­ ведены в табл. 11.

Если две ультразвуковые волны встречаются в одной точке пространства, то возникает явление интерферен­ ции, т. е. взаимное усиление или ослабление интенсивно­

сти колебаний. Частным случаем интерференции являет­

ся образование стоячей волны, которая возникает при

наложении двух одинаковых волн (одинаковые частоты

и направление колебаний), сдвинутых по фазе на поло­

вину длины волны и распространяющихся навстречу друг другу (прямая и отраженная волна). Это явление

положено в основу ультразвуковых резонансных дефек­

тоскопов— толщиномеров.

В ультразвуковой дефектоскопии для получения уль­ тразвуковых колебаний используют пьезоэлектрический

эффект кристаллов кварца, титаната бария и пьезоэлек­ трических материалов группы ЦТС (цирконата — тита­

ната свинца). Сущность пьезоэффекта состоит в следу­

ющем. На поверхностях пластин из кристаллов кварца,

титаната бария, ЦТС и других при их растяжении или

сжатии происходит образование электрических зарядов

(прямой пьезоэффект) и наоборот под действием пере­ менного электрического напряжения в пьезоэлектриче­

ской пластинке возникают колебания (периодические

114

изменения ее толщины), которые передаются в окружа­ ющую среду в виде упругих звуковых колебаний (обрат­

ный пьезоэффект). Таким образом, пьезоэлектрическая пластинка может быть использована как приемник и как

генератор ультразвуковых колебаний. Для возбуждения колебаний в пьезоэлектрической пластинке необходимо на ее плоскости подавать электрические заряды пере­

менного знака. .После прекращения подачи зарядов ко­ лебания пьезоэлектрической пластинки будут затухать.

Пьезоэлектрические пластинки, как и все тела, имеют

частоту собственных колебаний. Для того чтобы ампли­

туда колебаний была наибольшей, необходимо, чтобы

частота переменного электрического поля, приложенного к плоскостям пластинки, совпадала с частотой ее собст­

венных колебаний, т. е. попадала в резонанс. Частота

собственных колебаний пьезопластинки зависит от ее

толщины и некоторой постоянной величины. Например,

для прямоугольных кварцевых пластинок собственная частота колебаний равна:

нательной головки показано на рис. 54. Для ввода в изде­ лие поперечных ультразвуковых волн применяют приз­ матические щупы, излучающие продольные ультразву­

ковые волны, которые вводятся в исследуемое изделие

несплошности, то происходит отражение колебании, ко­ торые могут быть приняты пьезопластинкой без помех

со стороны излучателя во время пауз. Необходимо отме­

тить, что отраженные УЗК (эхо-импульсы) могут быть приняты только тогда, когда на поверхности несплошно­

сти имеются грани-отражатели, расположенные' перпен­ дикулярно направлению распространения ультразвуко­

вых колебаний. Отражательная способность дефекта за­

висит от разности удельных акустических сопротивлений материала изделия и несплошности, ее ориентации по

отношению к направлению распространения УЗК и раз­

меров. Отражательная способность будет тем выше, чем больше разность между акустическими сопротивлениями

материала изделия и несплошности, и достигает наи­

большего значения при условии, когда несплошность

имеет характер газового пузыря, раковины, трещины.

Эхо-импульсный метод дефектоскопии обладает спе­

цифическим недостатком, который получил название

«мертвой зоны». Если расстояние до отражающей по­

верхности невелико (дефект расположен близко от по­

верхности, при малой толщине контролируемого изде­ лия) и эхо-импульс приходит к пьезопластинке до окон­ чания излучающего импульса, то такой импульс не мо­

жет быть принят на фоне более мощного излучающего

импульса и дефект не будет обнаружен. Надежное обна­ ружение дефектов возможно лишь на расстояниях от излучателя до дефекта, превышающих «мертвую зону».

Так как скорость распространения поперечных УЗК

в металлах меньше скорости распространения продоль­

ных волн, то величина «мертвой зоны» при одинаковой

длительности импульса для поперечных волн меньше.

Поэтому нормальные искательные головки, посылающие

в изделие продольные волны, обладают большем «мерт­

вой зоной» по сравнению с призматическими, возбужда­

ющими поперечные волны.

Импульсный эхо-метод дефектоскопии позволяет: об­ наруживать и определять размеры, характер и коорди­

наты дефектов, представляющих собой нарушения

сплошности (трещины, шлаковые включения, рыхлоты,

расслоения и др.); измерять толщину изделий при не­

возможности использования других методов; определять

структуру металла.

Решение первых двух задач основано на использова­ нии отражения УЗК от поверхности дефектов или от по-

118

нервности контролируемого изделия; третья решается

путем определения степени рассеяния УЗ колебаний на зернах металла (см. гл. 3).

Промышленностью выпускаются различные типы

эхо-импульсных дефектоскопов. Характеристики некото­

рых типов ультразвуковых дефектоскопов, нашедших широкое применение при монтаже и ремонте оборудо­

головка.

вания тепловых электростанций, приведены в табл. 12.

Блок-схема дефектоскопа УДМ-1М приведена на

рис. 57.

Эффективность метода ультразвуковой дефектоско­

пии оценивается чувствительностью, определяемой на

специальных образцах-эталонах, имеющих искусствен­

ные отражатели установленных размеров и форм. Важ­ ной характеристикой дефектоскопа является его разре­

шающая способность, которая определяется как мини­

мальное расстояние между расположенными один за

119

120