Акустический контроль емкости

Введение 

 

Неразрушающие методы контроля имеют  очень важное значение для повышения  качества и надёжности изделий и  материалов в различных отраслях промышленности республики. Широкое распространение этих методов обусловлено тем, что они позволяют избежать больших потерь времени и материальных затрат.

Наибольшее развитие получила ультразвуковая дефектоскопия. По сравнению с другими  методами неразрушающего контроля она  обладает важными преимуществами: высокой  чувствительностью к наиболее опасным  дефектам типа трещин и непроваров, большой производительностью, возможностью вести контроль непосредственно на рабочих местах без нарушения технологического процесса, низкой стоимостью контроля.

Ультразвуковые методы контроля позволяют  получить информацию о дефектах, расположенных на значительной глубине в различных материалах, изделиях и сварных соединениях. Методы ультразвуковой дефектоскопии стали основными в различных отраслях народного хозяйства: в энергетике, тяжелом и химическом машиностроении, на железнодорожном транспорте, в судостроении. Ежегодно методами ультразвуковой дефектоскопии контролируются сотни тысяч метров сварных соединений металлоконструкций, десятки тысяч трубных соединений, котлоагрегатов, сварных стыков рельсов, оценивается качество деталей сосудов и аппаратов высокого давления, поковок, труб, листового проката и другой продукции. Эта работа выполняется операторами-дефектоскопистами. От их квалификации, теоретической и практической подготовки во многом зависит объективность получаемых результатов контроля.

Возможность автоматизации контроля позволяет разрабатывать и внедрять в производство различные автоматические комплексы и линии для контроля изделий в процессе производства. В состав таких комплексов могут входить не только автоматизированные сканеры и блоки управления ими, дефектоскопы, но и персональные ЭВМ. При разработке автоматических устройств широко применяется интегральная электроника, что существенно позволяет снизить количество применяемых дискретных элементов, габаритные размеры блоков, повысить их надёжность и эксплуатационные характеристики.

 

1 Анализ характеристик  объекта контроля

 

В данном курсовом проекте  необходимо разработать технические  средства и методику ультразвукового (УЗ) контроля сварной емкости изображенной на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1- Объект контроля

 

Материалом контролируемой детали является сталь 12Х18Н10Т, она относится к сталям и сплавам высоколегированным, коррозионностойким, жаропрочным  и жаростойким.

 Назначение – объекты, работающие до 600 °С. Сварные аппараты и сосуды, работающие  в разбавленных растворах азотной, уксусной, фосфорной кислот, растворах щёлочей и другие детали, работающие под давлением при температуре  от   – 196  до  +600  °С, а при наличии агрессивных сред  -      до +350 °С. Сталь коррозионностойкая аустенитного класса, что позволяет её использовать как в химической промышленности (различного рода проводы для реагентов), так и в энергетике (водопроводы горячей воды и пара).

Сварные швы выполнены дуговой сваркой в защитном газе плавящимся электродом по ГОСТ 14771-76 “Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и  
размеры”. [1] Эскиз сварного шва изображен на рисунке 1.2, размеры сварного шва приведен в таблице 1.1. [1]

 

                         

 

    а)                       б)

а - подготовка свариваемых  деталей; б - внешний вид шва

 

Рисунок 1.2 – Эскиз  стыкового сварного шва днища ёмкости

 

Таблица 1.1- Основные размеры  сварного шва по ГОСТ 14771-76

 

Условное обозначение  сварного соединения	S, мм	b, мм	c, мм	a, град	e, мм
Т6	8	0+1,5	1±1,0	45	12±2,0

 

Акустические характеристики материала изделия приведены  в  
таблице 1.2.

 

Таблица 1.2 – Акустические и физические свойства

 

Материал	Плотность г/см3	Скорость  звука, м/с		Волновое сопротивление zпр, Па×с/м10
		продольных	поперечных
12Х18Н10Т	8,03×103	5660	3100	45,5

 

В общем  случае  в  результате  сварки в шве могут  образовываться следующие виды дефектов [2]:

• непровары - несплошности на границах между основным и наплавленным металлами или незаполненные металлом полости в сечении шва рисунок 1.2, а. Причинами образования непроваров являются плохая подготовка кромок свариваемых листов, малое расстояние между кромками листов, неправильный или неустойчивый режим сварки;
• трещины  -  частичное  местное  разрушение  сварного   соединения

рисунок 1.2, б. Они могут возникать в результате надрыва нагретого металла в пластическом состоянии или в результате хрупкого разрушения после остывания металла до более низких температур;

- поры образуются вследствие  загрязненности кромок свариваемого металла, использование влажного флюса или отсыревших электродов, недостаточной защиты шва при сварке в среде углекислого газа, увеличенной скорости сварки и завышенной длинны дуги рисунок 1.2, в.

 

 

 

a)

 

 

 

 

 

 б)

 

 

 

 

 

 

 

 

в) 

Рисунок 1.2 - Внутренние дефекты сварных швов

 

Статистика показывает, что в крупноразмерных швах могут  образовываться от 65 до 70% шлаковых включений, 10% пор и от 20 до 25 % плоскостных  дефектов (из них трещин 5-7 %). Наиболее опасные дефекты: трещины - ориентированные преимущественно в центре шва.[3].

Дефекты, которые необходимо выявить имеют размеры: для пор, трещин и непроваров b_min=0,5∙10^-3 м, b_max=3∙10^-3 м.

 

2 Сравнительный анализ известных  методик УЗ – контроля сварных швов

 

Ультразвуковой контроль сварных швов производится в соответствии с ГОСТ 14771-76 и другими документами, регламентирующими методику контроля и критерии оценки качества швов по его результатам.

Для контроля сварных соединений применяют  следующие основные методы ультразвуковой дефектоскопии.

Прежде всего –  импульсный эхо-метод, основанный на отражении  ультразвуковых колебаний от несплошности (отражателя), причем амплитуда эхо-сигнала  пропорциональна площади этого  отражателя. Чувствительность эхо-метода высокая: она достигает 0,5 мм² на глубине 100 мм.

При эхо-импульсном методе применяют совмещенную (рисунок 2.1), раздельную (рисунок 2.2 и  рисунок 2.3) и раздельно-совмещенную (рисунок 2.4 и рисунок 2.5) схемы включения преобразователей [6].

 

 

Рисунок 2.1- Совмещенная  схема включения преобразователей

 

Рисунок 2.2- Раздельная схема включения преобразователей

 

Рисунок 2.3- Раздельная схема включения преобразователей

 

Рисунок 2.4- Раздельо-совмещенная  схема включения преобразователей

Рисунок 2.5- Раздельо-совмещенная  схема включения преобразователей

 

 К преимуществам  данного метода следует также  отнести возможность одностороннего  доступа к зоне шва, поскольку  иногда достаточно только одного  преобразователя  и для излучения  и для приема ультразвуковых сигналов. Метод обладает высокой производительностью и достоверностью контроля, простотой ввода ультразвуковых волн в изделие и расшифровки результатов, полученных при контроле. Недостатки эхо-метода – это сравнительно низкая помехоустойчивость и резкое изменение амплитуды отраженного сигнала от ориентации дефекта (угла между ультразвуковым лучом и плоскостью отражателя).

Теневой и зеркально-теневой  методы также широко распространенные, основаны на уменьшении амплитуды ультразвуковых колебаний вследствие наличия несплошности на их пути чем крупнее дефект, тем слабее прошедший к приемнику сигнал.

В теневом методе ультразвуковой луч идет прямо от источника излучения к приемнику через контролируемый металл. В отличие от эхо-метода теневой метод имеет высокую помехоустойчивость и слабую зависимость амплитуды от угла ориентации дефекта. Однако имеются серьезные недостатки: необходимость двустороннего доступа  и малая точность оценки координат дефектов, затруднена автоматизация и, соответственно, ниже производительность, вследствие применения иммерсионного способа контакта (он применяется для уменьшения влияния помех, вызванных случайным ухудшением акустического контакта, несоосностью преобразователей, непараллельностью поверхностей объекта контроля и др.). 

Рисунок 2.6-Использование теневого метода

 

При теневом методе применяют  раздельную (рисунок 2.6) схему включения преобразователей.

Рисунок 2.7-Схема включения  преобразователей при теневом методе

 

Зеркально-теневой метод  отличается от теневого тем, что регистрирует уменьшение ультразвуковых колебаний, отраженных от нижней поверхности объекта контроля. Как видно из схемы, этот метод не требует двустороннего доступа к соединению. Метод позволяет более достоверно определять наличие корневых дефектов в  стыковых швах.

При зеркально-теневом методе применяют  раздельно-совмещенную (рисунок 2.8) схему включения преобразователей.

Рисунок 2.8 – Схема  включения преобразователей при  зеркально-теневом методе

 

Резонансный метод основан  на возбуждении в изделиях постоянной толщины незатухающих УЗ колебаний и определении частот, на которых имеют место резонансы этих колебаний. Метод используют для обнаружения дефектов в виде коррозии или несплошностей металла и измерения толщины листов, стенок труб, резервуаров и т.д. Частота, при которой возникают стоячие волны, т.е. наступает резонанс, зависит от толщины детали и скорости распространения в ней акустических волн. Но для данного объекта такой метод использовать не возможно, т.к. объект имеет сложную форму.

Метод акустического импеданса  заключается в регистрации УЗ колебаний стержня, опирающегося на поверхность изделия. Подповерхностные дефекты изменяют акустический импеданс данного участка изделия, что отражается на амплитуде и частоте собственных колебаний стержня. Кроме того, дефект обычно вызывает и фазовый сдвиг. Импедансный метод позволяет обнаруживать зоны нарушения жесткой связи между элементами слоистых конструкций: непроклеи, непропаи, расслоения, неполную поляризацию и т.п. Импедансный метод чаще всего используют для контроля многослойных конструкций.

Велосиметрический метод связан с  регистрацией изменения скорости УЗ колебаний. Такое изменение имеет  место в слоистых конструкциях при  изменении толщины слоя или наличия  расслоений. Поэтому этот метод, аналогично импедансному, для заданного изделия применяться не может [4].

Метод свободных колебаний  основан на анализе частотного спектра  или прослушивании тона акустических колебаний изделий, вибрирующих  на собственной частоте. Этот метод позволяет выявлять нарушения жесткой связи между слоями в слоистых конструкциях, а также внутренние дефекты в массивных изделиях. Но этот метод позволяет определить лишь наличие или отсутствие дефекта, а по исходным данным проекта недопустимыми являются дефекты от b_min=1мм до b_max=6 мм, т.е. мы не может определить размер дефекта.

Метод акустической эмиссии  занимает особое место. Можно сказать, что это метод диагностики, а  не дефектоскопии. Он основан на регистрации  акустических волн, излучаемых дефектом при нагружении материала или конструкции, в результате внутренней динамической локальной перестройки его структуры. Наиболее характерные источники акустической эмиссии это возникновение и развитие трещин, пластическая деформация, движение дислокаций кристаллов и т.п. В заданном объекте нет таких источников акустической эмиссии, поэтому этот метод не имеет применения в данном случае.

Таким образом, применимость акустических методов для выявления  дефектов в заданном объекте контроля можно показать таблицей 2.1 [5].

Таблица 2.1 – Применимость акустических методов для заданного изделия

Метод	Вид дефекта
	Внутренние                                            несплошности	Пористость
Теневой	++	+/++
Эхо-импульсный	+++	++/+++
Резонансный	-	-
Эмиссионный	-	-
Велосиметрический	-	-
Импедансный	-	-
Метод свободных колебаний	-	-
Принятые обозначения:    «-» - метод неприменим для выявления  дефектов;                                 «+» - метод применим, дефект выявляется  плохо;                                                        «++» - метод применим, дефект выявляется удовлетворительно;                                    «+++» - метод применим, дефект выявляется  хорошо.