Методы ультразвуковой дефектоскопии и их реализация в

дефектоскопе Авикон-11

Выпускная аттестационная работа

по программе профессиональной переподготовки

«Текущее обслуживание железнодорожного пути»

ВВЕДЕНИЕ

•При изготовлении рельсов в них могут возникать металлургические дефекты, связанные с плавлением и литьем металла, обработкой давлением и термической обработкой. Такими дефектами являются раковины и включения, пузыри, трещины различного происхождения, закаты, расслоения и т.д. В сложных условиях эксплуатации рельсы подвергаются значительным напряжениям, деформациям и износам, приводящим в ряде случаев к возникновению дефектов и изломов. При наличии дефектов в сварных стыках могут развиваться усталостные трещины в подошве, шейке и головке рельса с хрупким изломом, особенно при низких температурах.

•В связи с этим большое значение имеет своевременное обнаружение методами неразрушающего контроля и изъятие из эксплуатации рельсов с такими дефектами.

•Система неразрушающего контроля (НК) занимает особое место на железнодорожном транспорте, где, благодаря высокой чувствительности, оперативности и производительности, меньшей стоимости и безопасности в работе, наибольшее распространение получили ультразвуковые методы контроля. Система НК рельсов включает в себя совокупность физических методов, технических средств, технологий и условий проведения неразрушающего контроля с целью обнаружения недопустимых дефектов в объекте контроля, а так же персонала, занятого неразрушающим контролем и оценкой качества объекта.

•Схемы прозвучивания рельсов при ультразвуковом контроле, используемые в настоящее время на средствах автоматизированного контроля постоянно совершенствуются с целью обеспечения надежного выявления опасных дефектов и исключения серьезных аварий и крушений.

•Примером такого совершенствования является современный ультразвуковой дефектоскоп сплошного контроля рельсов УДС2-114 «Авикон-11».

УЛЬТРАЗВУК. ТИПЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

•Ультразвук представляет собой процесс распространения механических колебаний частиц среды с частотой от 20 кГц до 1000 МГц, сопровождающийся переносом энергии и не сопровождающийся переносом вещества. Отдельные частицы вещества при этом совершают колебания с некоторой амплитудой около своих положений равновесия. Колебательное движение частиц вызывает ультразвуковые (акустические) волны, благодаря наличию упругих связей. Упругость - свойство частиц среды возвращаться к первоначальному положению.

•Ультразвук может распространяться в твёрдых, жидких и газообразных средах. В общем случае колебания частиц среды около положения равновесия могут происходить в различных направлениях: вдоль направления распространения волны, перпендикулярно направлению распространению волны или более сложным образом.

•Волну, в которой колебания отдельных частиц происходят в том же направлении, в котором распространяется волна, называют продольной (рис. 1 а). Продольная волна характеризуется тем, что в среде чередуются области сжатия и разрежения, повышенного и пониженного давления. Поэтому их также называют волнами давления или сжатия. Продольные волны могут распространяться в твердых телах, жидкостях и газах, то есть в любых средах. В жидкостях и газах могут распространяться только продольные волны.

•Волну, в которой колебания отдельных частиц происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения, называют поперечной или сдвиговой, (рис. 1, б). Поперечные волны могут распространяться только в твердых средах.

Принцип действия и структурная схема ультразвукового дефектоскопа

•Большинство ультразвуковых дефектоскопов являются импульсными. Принцип действия их основан на посылке ультразвуковых импульсов в изделие и приеме их отражений от несплошностей или конструктивных элементов изделий. Структурная схема дефектоскопа с электронно-лучевой трубкой приведена на (рис. 3). Блок

синхронизации (1) вырабатывает импульсы для согласования работы всех остальных узлов дефектоскопа. Генератор импульсов возбуждения (зондирующих импульсов) (2) формирует короткий электрический зондирующий импульс, который с выхода дефектоскопа подается на преобразователь для его возбуждения (3). Отраженный от противоположного торца изделия (донный) или от дефекта эхо-сигнал принимается тем же (совмещенная схема включения) или другим (раздельная схема) преобразователем, который подключаются к входу приемника (5) дефектоскопа. Приемник дефектоскопа имеет предварительный усилитель с калиброванной регулировкой усиления или аттенюатором (калиброванная регулировка ослабления).

Рис. 3.

Структурная схема ультразвукового дефектоскопа с электронно-лучевой трубкой. 1 - блок синхронизации, 2 -генератор импульсов возбуждения, 3, 3' - ПЭП, 4 - контролируемое изделие, 5 - приемник, 6 - электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), 7 - генератор развертки ЭЛТ и строб - импульсов, 8 - блок цифрового отсчета координат (БЦО), 9 - автоматический сигнализатор дефектов (АСД), 10 - блок питания, К - переключатель режимов работы

Теневой метод ультразвуковой дефектоскопии

•Теневой метод контроля предполагает доступ к изделию с двух сторон (рис. 4), и реализуется при раздельной схеме включения ПЭП. В этом случае ультразвук излучается одним ПЭП (И), проходит через контролируемое изделие и принимается другим ПЭП (П) на другой стороне. Признаком дефекта при теневом методе является уменьшение ниже порогового уровня или пропадание сигнала прошедшего через контролируемое изделие. Метод обладает высокой чувствительностью, но не дает информации о глубине залегания дефекта. О величине дефекта можно судить по степени ослабления прошедшего сигнала. На уменьшение амплитуды сигнала при теневом прозвучивании влияют кроме того и другие факторы: шероховатость поверхности, затухание ультразвука, расхождение пучка, нарушение соосности преобразователей.

зеркально-теневой метод ультразвуковой дефектоскопии

•Схемы реализации зеркально-теневого метода (ЗТМ) контроля приведены на (рис. 5). В этом случае излучатель и приемник расположены на одной стороне (контактной). Зеркально-теневой метод можно реализовать либо одним прямым, либо двумя наклонными преобразователями. При работе по первой схеме в рельсовой дефектоскопии чаще используются раздельно-совмещенный преобразователь. Приемник регистрирует сигнал, отраженный от противоположной стороны (донной), который называют «донным» сигналом. Ультразвук проходит изделие два раза, что повышает чувствительность контроля. Можно работать также по второму и последующим донным сигналам, причем чувствительность при этом будет увеличиваться. В отличие от теневого метода ЗТМ не требует двухстороннего доступа к изделию, но при использовании прямых ПЭП также не дает информации о глубине залегания дефекта.

•Признаком дефекта при ЗТМ контроля является пропадание донного сигнала или его ослабление ниже порогового уровня. О величине дефекта можно судить по степени ослабления донного сигнала. Выявляемость дефекта не сильно зависит от его ориентации по отношению к акустической оси.

Эхо-метод ультразвуковой дефектоскопии

•Эхо-метод ультразвуковой дефектоскопии основан на посылке в изделие коротких ультразвуковых сигналов (зондирующих импульсов) и регистрации сигналов (эхо- сигналов), отраженных от выявляемых дефектов. Схемы его реализации прямым (а) и наклонным (б) преобразователями приведены на рис. 6. При контроле прямым преобразователем наряду с эхо-сигналом от дефекта на экране может присутствовать донный сигнал. Возможен контроль лучом, отраженным от противоположной поверхности (рис. 6, в) а также многократно отраженными лучами.

•Признаком дефекта при эхо - методе контроля является по явление в зоне контроля эхо-сигнала с амплитудой выше порога срабатывания АСД при заданной чувствительности дефектоскопа.

Рис. 6.

Схемы реализации эхо-метода контроля прямым (а) и наклонным (б, в) преобразователями; выявление поверхностных трещин (в, г)