УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ВЫТЯНУТОЙ ФОРМЫ С ПОСТОЯННЫМ СЕЧЕНИЕМ Российский патент 1995 года по МПК G01N29/26 

Изобретение относится к устройствам для неразрушающего ультразвукового контроля элементов вытянутой формы постоянного сечения, в частности к устройствам для контроля стенок труб малого или большого диаметра и большой длины и цельного или полого сортового или профильного проката большой длины.

Известны способ и устройство для ультразвукового контроля для обнаружения трещин в изделии, таком, как труба, в котором преобразователи располагаются в ряд вокруг изделия и питаются от последовательных блоков питания, так, чтобы фокусировать пучок ультразвуковых волн в последовательных точках изделия во время контроля. Этот способ позволяет достичь фокусного пятна в направлении по окружности трубы в ходе обследования [1]
Наиболее близким к предложенному является устройство для неразрушающего ультразвукового контроля элементов вытянутой формы с постоянным сечением, включающее опору, имеющую установочную поверхность, множество пьезоэлектрических элементов, закрепленных на установочной поверхности опоры в смежных положениях, средство перемещения преобразователя вдоль контролируемого объекта, средство последовательного электрического возбуждения для фокусировки и сканирования по окружности в одной плоскости и фокусировки по толщине, управляемые электронным блоком, и средства приема и анализа электрических сигналов, поступивших с преобразователя [2]
Недостатки этого устройства размывание фокусного пятна, недостаточная разрешающая способность устройства.

Задача изобретения повышение разрешающей способности устройства.

Поставленная задача решается за счет того, что установочная поверхность опоры преобразователя выполнена вогнутой. Пьезоэлектрические элементы расположены по образующей вогнутой поверхности опоры преобразователя.

В устройстве установочная поверхность опоры может быть выполнена в виде симметричной поверхности вращения, а угловое расстояние между соседними пьезоэлектрическими элементами составляет не более 20^о. В качестве средства перемещения может быть использовано средство перемещения внутри трубы. Установочной поверхностью может быть внутренняя поверхность опоры. Пьезоэлектрические элементы выполнены в виде изогнутых стержней и могут иметь матричную структуру.

Преимущественным вариантом расположения пьезоэлектрических элементов является периодическая зона, причем количество их не менее трех, а размеры пьезоэлектрических элементов следующие: длина 4 мм, ширина 0,3-0,4 мм и 0,1-0,5 мм, радиус стержней 5 мм. Устройство может быть снабжено установочной рамой, предназначенной для установки электронного блока. Электронные средства генерирования и приема могут быть присоединены к преобразователю с возможностью перемещения преобразователя внутри контролируемой трубы. Оптимальное угловое расстояние между соседними пьезоэлементами находится в интервале 1-5^о.

На фиг.1 показано предлагаемое устройство, преобразователь которого находится в рабочем положении внутри трубы; на фиг.2 вид трубы спереди и разрез части устройства, введенного в контролируемую трубу; на фиг.3 вид спереди в разрезе, показывающий преобразователь устройства для контроля в различных положениях при перемещении внутри контролируемой трубы; на фиг.4 вид в сечении преобразователя устройства в положении внутри контролируемой трубы; на фиг.5 поперечное сечение преобразователя устройства для контроля внутри трубы; на фиг. 6 общий вид преобразователя устройства, включающего цилиндрическую опору; на фиг.7 осевой разрез преобразователя устройства, обеспечивающего контроль стенки трубы снаружи; на фиг.8 поперечный разрез преобразователя устройства, используемого для контроля изнутри трубы продольного сварного шва катаной или сварной трубы.

Устройство включает подвижную систему 1, которая может перемещаться внутри и вдоль оси 2 трубы 3.

Подвижная система 1 имеет передний конец, который вводится вначале в трубу 3, подлежащую контролю, и который изображен в верхней части фиг.1 и 2.

Передняя часть подвижной системы устройства для контроля включает последовательно от передней части к задней направляющую головку 4, ультразвуковой преобразователь 5, кольцевой кондуктор 6, устройство 7 для предварительного усиления и мультиплексирования, обеспечивающее переключение чувствительных элементов преобразователя 5, и кольцо 8 для электрического подсоединения.

Передняя часть подвижной системы 1 устройства для контроля закрепляется на конце гибкого кабеля 9, образующего часть подвижной системы 1, посредством которого обеспечивается поступательное движение преобразователя 5 внутри трубы. Передний конец подвижной части устройства обозначен позицией 10.

Направляющая головка 4 образована цельным симметричным телом вращения, которое может иметь форму конуса, имеющего округленную вершину или форму полусферы. Максимальный диаметр направляющей головки 4 и кольцевого кондуктора 6 меньше внутреннего диаметра контролируемой трубы 3, но выше наружного диаметра преобразователя 5.

Кабель 9 выполнен в виде трубы таким образом, чтобы обеспечить прохождение его во внутреннем расточном отверстии вдоль всей его длины электрических проводников 11 и 12, обеспечивающих питание преобразователя 5 электрическим током и прием сигналов измерения, поступающих с преобразователя 5 через соединительное кольцо 8.

Кабель 9 имеет направляющие элементы 13 в радиальном выступе на наружной поверхности, причем эти направляющие элементы могут иметь предпочтительно тороидальную форму или сферическую форму. Наружный диаметр направляющих элементов 13 несколько ниже внутреннего диаметра трубы 3 так, чтобы достигнуть эффективного направления подвижной системы 1 устройства для контроля внутри трубы 3 при его перемещениях в осевом направлении и обеспечить прохождение жидкости связи.

Устройство для контроля по изобретению включает также внутри замкнутой оболочки 14, связанной герметично с входным концом трубы 3, устройство 15 для поступательного движения кабеля 9 подвижной системы 1. Устройство 15 может быть образовано в виде тяги толкателя, включающей лебедку для намотки и размотки кабеля 9, которая может приводиться во вращение с регулируемой скоростью внутри оболочки 14 посредством оси, связанной с двигателем приводом 16, имеющим мотор 17. Стрелка 18 указывает направление осевого перемещения устройства.

Проводники 11 и 12 для питания преобразователя 5 электротоком и приема электрических сигналов измерения преобразователя 5 подключаются электрически к проводникам кабеля 19 питания преобразователя и приема сигналов, например, посредством коллектора 20, подсоединенного к лебедке.

Кабель 19 подсоединен к устройству 21, включающему средства питания преобразователя электрическим током и средства приема и анализа сигналов измерения, поступающих с преобразователя 5.

Циркуляционный насос 22 подключен по трубопроводу к внутреннему объему оболочки 14 и обеспечивает циркуляцию жидкости связи, такой, как вода, внутри трубы 3, так, чтобы эта жидкость связи достигала бы уровня преобразователя независимо от его положения внутри трубы 3.

Отводящий трубопровод 23 жидкости подсоединен к оболочке 14. Таким образом, обеспечивается непрерывная циркуляция жидкости связи внутри трубы. Стрелка 24 указывает направление циркуляции жидкости связи в обратном направлении в оболочку 14.

На фиг.3 изображена передняя концевая часть подвижной системы устройства для контроля по изобретению, включающая направляющую головку 4 и преобразователь 5, закрепленный на конце кабеля 9 перемещения в первом рабочем положении внутри трубы 3, включающей колено 3а, а в трех последовательных положениях 5а, 5b и 5с при перемещении подвижной системы устройства для контроля по оси 2 трубы 3.

Преобразователь 5 имеет пьезоэлектрические элементы с изогнутой боковой поверхностью. Максимальный диаметр преобразователя значительно меньше внутреннего диаметра трубы 3, толщина которой в осевом направлении трубы небольшая. В связи с этим преобразователь 5 может легко перемещаться внутри трубы, даже в изогнутых зонах, таких, как зона 3а (фиг.3), имеющая малый радиус кривизны, в связи с тем, что преобразователь 5, закрепленный на конце гибкого кабеля 9, способен свободно принимать последовательные направления (положения 5а, 5b и 5с) внутри трубы в ее изогнутой части.

Во всех последовательных положениях преобразователя 5 вогнутая наружная боковая поверхность этого преобразователя, образующая активную поверхность излучения ультразвуковых волн, остается постоянно направленной к внутренней поверхности трубы 3.

На фиг.4а, 5 и 6 показан вариант выполнения опоры 25 преобразователя 5 с вогнутой боковой поверхностью. Опора 25 может быть предпочтительно и необязательно выполнена из материала, поглощающего ультразвуковые волны.

Пьезоэлектрические элементы 26 образованы стержнями, имеющими изогнутую форму, соответствующую форме образующей опоры. Эти пьезоэлектрические элементы крепятся на наружной боковой поверхности преобразователя по образующим опоры.

Позицией 27 показан ход сфокусированной ультразвуковой волны, 28 фокусное пятно, 29 дефект стенки трубы.

Геометрическая форма наружной поверхности 25 опоры, на которой закрепляются пьезоэлектрические элементы, позволяет добиться фокусировки ультразвуковых волн в осевом направлении преобразователя 25 и трубы 3. Таким образом, достигается фокусное пятно, размер которого в осевом направлении небольшой.

Устройство работает следующим образом.

Подвижную систему 1 устройства помещают в контролируемое изделие 2 и перемещают внутри трубы с использованием гибкого кабеля 9, имеющего направляющие элементы 13. Для обеспечения надежного акустического контакта преобразователя 5 с изделием осуществляют прием подачи движущейся жидкости внутри контролируемого изделия. Движение жидкости осуществляет циркуляционный насос 22, который подключен к внутреннему объему оболочки 14. Гибкий кабель 9, снабженный устройством 15 для намотки и размотки кабеля 9, приводится в движение с регулируемой скоростью посредством привода 16.

Питание преобразователя 5 электрическим током осуществляют через проводники 11 и 12, электрически соединенные с проводниками кабеля 19 через коллектор, соединенный с лебедкой.

Электрический сигнал от устройства 21 по кабелю 19 поступает на проводники 11 преобразователя 5, где на пьезоэлектрических элементах 26 он преобразуется в ультразвуковую волну 27, образуя в изделии фокусное пятно 28. Ультразвуковая волна 27, отражаясь от поверхности дефекта 29, распространяется в обратном направлении и поступает на пьезоэлектрический элемент 26, где преобразуется в электрический сигнал, который по проводникам 11 и 12 и кабелю 19 поступает на устройство 21, в котором он анализируется в процессорной системе устройства контроля.

Конструкция устройства обусловливает постоянное направление излучения ультразвуковой волны 27 к поверхности изделия.

Геометрическая форма наружной поверхности 25 преобразователя 5, на которой закрепляются пьезоэлектрические элементы 26, позволяет добиться фокусировки ультразвуковых волн в осевом направлении контролируемого изделия. Таким образом, достигается фокусное пятно, размер которого в осевом направлении небольшой.

Кроме того, преобразователь 5 позволяет получить переменную фокусировку пучка ультразвуковой волны, так как фокусное расстояние зависит от кривизны опоры 25 и последовательности возбуждения пьезоэлектрических элементов 26.

Сканирование по окружности стенки контролируемого изделия достигается электронными средствами, без необходимости приведения во вращение преобразователя 5, разрешающая способность которого может быть увеличена либо уменьшена за счет увеличения либо сокращения общего числа пьезоэлектрических элементов 26, распределенных по поверхности 25 опоры, и/или регулированием кривизны поверхности 25 опоры.

Возможно использовать несколько сот или десятков пьезоэлектрических элементов малого размера, расположенных последовательно по периферии симметричной опоры. Угловые положения последовательных пьезоэлектрических элементов на опоре могут быть смещены друг относительно друга, например, на 10-20^о. Чем меньше диаметр изделия, тем меньше угловое расстояние между пьезоэлектрическими элементами.

Возможно использование преобразователя, у которого пьезоэлектрические элементы расположены лишь на части опоры.

Сканирование стенки изделия 1 достигается путем последовательного возбуждения пьезоэлектрических элементов 26 преобразователя от процессорной системы устройства контроля.

Используя преобразователи соответствующей формы, можно реализовать сканирование по окружности и в радиальном направлении стенки трубы. Можно осуществить программируемое возбуждение группы элементов так, чтобы получить ультразвуковое поле, угловая ширина которого близка к ширине поля от одной пластины.

Электронное сканирование стенки изделия позволяет повысить скорость обследования изделий большой длины.

При контроле изделия снаружи на внутренней поверхности 25 опоры крепят изогнутые пьезоэлектрические элементы 26, смещенные друг относительно друга на некоторый угол. Контроль осуществляется путем относительного перемещения преобразователя 5 и изделия. Это относительное перемещение может быть достигнуто как перемещением изделия, так и перемещением устройства. Связующая жидкость может подаваться в щель между изделием и преобразователем, либо изделие может быть помещено в иммерсионную ванну. В случае контроля изогнутых изделий целесообразно использовать устройства, располагаемые внутри изделия.

Изобретение относится к устройствам для неразрушающего ультразвукового контроля элементов вытянутой формы постоянного сечения, в частности к устройствам для контроля стенок труб малого и большого диаметров и большой длины и цельного или полого сортового или профильного проката большой длины. Задача изобретения повышение разрешающей способности устройства. Поставленная задача решается за счет того, что установочная поверхность опоры преобразователя выполнена вогнутой. Пьезоэлектрические элементы расположены по образующей вогнутой поверхности опоры преобразователя. 15 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ВЫТЯНУТОЙ ФОРМЫ С ПОСТОЯННЫМ СЕЧЕНИЕМ, включающее опору, имеющую установочную поверхность, множество пьезоэлектрических элементов, закрепленных на установочной поверхности опоры в смежных положениях, средство перемещения преобразователя вдоль контролируемого объекта, средство последовательного электрического возбуждения для фокусировки и сканирования по окружности в одной плоскости и фокусировки по толщине, управляемые электронным блоком, и средства приема и анализа электрических сигналов, поступивших с преобразователя, отличающееся тем, что установочная поверхность опоры преобразователя выполнена вогнутой, пьезоэлектрические элементы расположены по образующим вогнутой поверхности опоры преобразователя. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что установочная поверхность опоры выполнена в виде симметричной поверхности вращения, а угловое расстояние между соседними пьезоэлектрическими элементами составляет не более 20^o. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве средства перемещения использовано средство поступательного перемещения внутри трубы. 4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что опора преобразователя имеет кольцевую форму, а установочной поверхностью является внутренняя поверхность опоры. 5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что пьезоэлектрические элементы выполнены в виде изогнутых стержней. 6. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что пьезоэлектрические элементы имеют матричную структуру. 7. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что часть пьезоэлектрических элементов расположена на участке периферической зоны установочной поверхности опоры преобразователя. 8. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что преобразователь содержит не менее трех пьезоэлектрических элементов. 9. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что угловое расстояние между соседними пьезоэлектрическими элементами не более 10^o. 10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что опора преобразователя выполнена из материала, поглощающего ультразвуковые волны. 11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено рамой, предназначенной для установки электронного блока, включающего элемент питания, средства обработки сигналов и резервуар с контактной жидкостью. 12. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что пьезоэлектрические элементы расположены со смещением вдоль установочной поверхности опоры преобразователя. 13. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что опора преобразователя выполнена в виде пластины с вогнутой боковой поверхностью, радиус кривизны которой равен приблизительно 5 мм, толщина 4 мм, а пьезоэлектрические стержни имеют длину 4 мм, ширину 0,3-0,4 мм в направлении по окружности опоры и 0,1-0,5 мм в радиальном направлении. 14. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что преобразователь имеет три пьезоэлектрических элемента. 15. Устройство по п. 13 для контроля труб длиной более 10 м, отличающееся тем, что электронные средства для генерирования и приема сигналов, а также электронного сканирования путем мультиплексирования подсоединены к преобразователю с возможностью перемещения с преобразователем в контролируемой трубе. 16. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что угловое расстояние между соседними пьезоэлементами составляет 1-5^o.