СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2000 года по МПК G01N29/04 

Предлагаемый способ относится к неразрушающему контролю изделий ультразвуковыми (у. з. ) методами и может быть использован для обнаружения дефектов в различных цилиндрических изделиях машиностроения, транспорта и других отраслей промышленности.

В народном хозяйстве имеется большой класс ответственных объектов с цилиндрическими поверхностями, подвергаемых ультразвуковому контролю как при изготовлении, так и при периодическом освидетельствовании. К таким изделиям можно отнести:
- оси колесных пар вагонов, локомотивов и электровозов наземных и подземных (метро) железных дорог (ж.д.);
- оси и валы тяговых электродвигателей электровозов и тепловозов;
- валы и оси эскалаторов метрополитенов;
- ободья и бандажи ж.д. колес;
- элементы бурильных труб газовых и нефтяных месторождений (резьбовые соединения, муфтовые части стальных бурильных труб);
- ТВЭЛы ядерных реакторов;
- трубы, прутки, прокат и другие изделия круглого профиля и т.п.

Как правило, они являются длинномерными объектами и весьма часто состоят из нескольких цилиндрических участков разного диаметра, разделенных галтельными переходами и зарезьбовыми канавками (например, оси, валы).

Ультразвуковой контроль таких изделий в основном выполняют путем установки пьезопреобразователя (ПЭП) на плоскую торцевую поверхность или, если имеется возможность, на боковую цилиндрическую поверхность контролируемого объекта и осуществления кругового сканирования. Круговое сканирование осуществляется либо путем перемещения ПЭП по окружности торца или боковой поверхности изделия при неподвижном положении изделия, либо при неподвижном ПЭП путем вращения контролируемого изделия относительно его продольной оси.

В процессе излучения и приема ультразвуковых колебаний на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) или дисплея дефектоскопа наблюдается большое количество (до 20 и более) эхо-сигналов от различных конструктивных элементов изделия:
- галтельных переходов;
- резьбовых и зарезьбовых канавок;
- поверхностей плотно насажанных на изделие деталей (ступиц, зубчатого колеса, втулки и т.д.);
- противоположного торца изделия.

При круговом сканировании временные положения эхо-сигналов от них относительно зондирующего импульса и их амплитуды (развертка типа "А"), при обеспечении стабильного акустического контакта являются достаточно постоянными. Эхо-сигналы от возможных дефектов, ввиду их нерегулярности могут появиться только на определенном участке (дуге) окружности траектории сканирования. Их временные положения и амплитуда на дисплее дефектоскопа так же, как правило, отличаются от аналогичных характеристик эхо от конструктивных элементов.

Ультразвуковой контроль таких изделий весьма трудоемок и сложен. Оператору в процессе сканирования требуется последовательно просмотреть все кадры "A"-развертки в каждой точке сканирования и по изменению характерного отображения (серии последовательных эхо-сигналов различной амплитуды) в отдельных точках сканирования принять решение о дефектности контролируемого изделия. Естественно такой контроль имеет низкую надежность и малую производительность.

Известны способы ультразвукового контроля цилиндрических изделий, основанные на излучении и приеме ультразвуковых колебаний с плоской поверхности торца или с цилиндрической боковой поверхности изделия и анализе принятых эхо-сигналов.

Так, например, в техническом решении, защищенном патентом США N 4899590, с целью сокращения времени на круговое сканирование и повышения производительности контроля, на торце контролируемого вала устанавливают решетку из пьезоэлектрических преобразователей. Такой прием действительно повышает производительность контроля, однако анализ эхо-сигналов от различных отражателей по длине контролируемого изделия (вала) по-прежнему затруднен и достоверность контроля остается низкой. Кроме того, управление системой из решетки пьезопреобразователей требует применения достаточно сложной специальной дефектоскопической аппаратуры, что в целом удорожает процесс контроля.

По техническому решению, защищенному авт. свид. N 1208209, длинномерные изделия (строительные опоры, валы, оси и т.д.) контролируют путем анализа частотного спектра колебаний, специально возбуждаемых в изделии кратковременными ударами. Такой способ контроля качества изделия позволяет только приблизительно оценить наличие дефектов в контролируемом изделии, требует проведения трудоемких предварительных исследований по сопоставлению частотных спектров собственных колебаний дефектных и бездефектных изделий. Кроме того, способ имеет низкую достоверность, так как искомый параметр зависит не только от наличия или отсутствия внутренних дефектов в изделии, но и от загрязненности внешней поверхности и других причин производственного характера.

Способы ультразвукового контроля цилиндрических изделий, защищенные патентами N 2029300 и N 2032171, основаны на регистрации сигналов, многократно обегающих цилиндрическую поверхность по образующей, и измерении амплитуды или энергии принятых колебаний в определенном временном интервале. Способы позволяют оценить качество определенной зоны (диска) изделия (послойный контроль), однако являются весьма трудоемкими и обладают низкой достоверностью контроля.

Известны способы и устройства ультразвукового контроля цилиндрических изделий, защищенных авт. свид. N 1408357, 1413517, 1415177, 1493945, 1486917, 1546901, 1566280, 1490625, 1515101, 1514252, а также патентами Великобритании N 866457 (кл. H 4 D) и США N 3812708 (кл. G 01 N 29/04), предусматривающие излучение ультразвуковых колебаний в изделие, прием серии эхо-импульсов из изделия, сканирование по поверхности изделия путем вращения изделия или перемещения ПЭП и анализе эхо-сигналов, представляемых на экране дефектоскопа в координатах "aмплитуда эхо-импульса - время распространения у. з колебаний в изделии". Известные способы обладают низкой производительностью и достоверностью контроля, так как требуют наблюдения эхо-сигналов различных амплитуд на временной развертке, пропорциональной пути ультразвука в изделии в каждой точке перемещения преобразователя.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению и принятым за прототип является способ ультразвукового контроля цилиндрических изделий по [1] (Инструкция по ультразвуковой дефектоскопии валов главного привода эскалаторов метрополитенов. Ц Метро/4278. Утв. Главным управлением метрополитенов 13.06.86. М.: Транспорт, 1987, с. 11- 14), заключающийся в том, что излучают ультразвуковые колебания в изделие, принимают эхо-сигналы из изделия, осуществляют круговое сканирование по поверхности изделия путем вращения изделия при неподвижном электроакустическом преобразователе или перемещения преобразователя по круговой траектории по поверхности изделия при неподвижном изделии, принятые сигналы в каждой точке сканирования отображают в координатах амплитуда принятых эхо-сигналов - время распространения ультразвуковых колебаний в контролируемом изделии, выполняют анализ амплитудных и временных положений принятых эхо-сигналов и о дефектности изделия судят по результатам анализа зарегистрированных сигналов.

Такой же способ ультразвукового контроля используют при проведении неразрушающего контроля труб нефтяного сортамента в условиях глубокого наклонно-направленного бурения [2], при контроле вертлюгов [3], дефектоскопии концов бурильных труб [4] и т. п.

Недостатками известного способа, принятого за прототип, являются:
1. Сложность распознавания эхо-сигналов от дефектов на фоне многочисленных отражений от конструктивных элементов контролируемого изделия (галтельных пере ходов, противоположного торца и т.п.). В изделиях ограниченных геометрических размеров излучаемые волны одного типа, распространяясь вблизи цилиндрической поверхности изделия, например шейки вала, отражаются от нее, одновременно трансформируясь в другой тип волны (поперечная волна трансформируется в продольную и наоборот). В результате от одного конструктивного отражателя вместо расчетного эхо-сигнала на экране дефектоскопа наблюдаются два или три импульса разнесенных по времени. При наличии в изделии нескольких (до 20) таких отражателей результирующая картина ("A"-развертка) на экране получается весьма сложной для расшифровки (см., например, рис. 40 на стр. 36 Инструкции [1]). На фоне этих импульсов, полагаясь в основном на зрительную память оператора [5], достоверно распознать эхо-сигнал от поперечной трещины, как правило, развивающейся в наиболее тонких местах изделия (вблизи галтельного перехода, зарезьбовой канавки и т.п.) весьма затруднительно. Возможны пропуски дефектов в ответственных изделиях с непредсказуемыми результатами. Таким образом, известный способ обладает низкой достоверностью.

2. Большая трудоемкость и малая производительность контроля, вызванная необходимостью внимательного просмотра и анализа оператором сложной дефектограммы в каждой точке кругового сканирования. Таких точек просмотра в отдельных изделиях может более 70 (см., например, стр. 13 Инструкции [1]). В результате наступает быстрое утомление оператора и как следствие снижается производительность и достоверность контроля изделия.

3. Отсутствие объективного документа контроля. Для полноценной оценки состояния контролируемого изделия необходимо иметь копии дефектограмм с экрана дефектоскопа, полученные как с бездефектного, так и с дефектного участков изделия. Многие современные дефектоскопы зарубежных фирм: USN 52 (Krautkramer GmbH & Co), SM-300 (Tokimec Inc.) DT2200 (Hitachi), EPOCH III (Panametrics, Inc.), SITESCAN 230 (Sonatest Inc), SONIC 200 (Namicon Ltd) и дефектоскопы последних разработок отечественных организаций: УДЦ-201П (ГНЦ "ЦНИИТМАШ"), УД4-Т (АО "Votum", МГТУ им. Баумана), Авикон-02Р (АО "Радиоавионика") и "ПЕЛЕНГ" (ЗАО "АЛТЕК") [5] позволяют фиксировать изображение эхо-сигналов, представляемых на экране дефектоскопа в координатах время распространения у. з. колебаний в изделии - амплитуда эхо-сигнала с последующей перекачкой их в персональную ЭВМ и распечаткой на бумажный носитель. Однако для полноценного анализа дефектной ситуации требуется получение нескольких дефектограмм с разных участков изделия. Дефектограммы имеют вид трудно поддающихся расшифровке импульсов на временной развертке экрана прибора. Для привязки полученных документов к реальному объекту на каждую дефектограмму необходимо дополнительно нанести текущую координату преобразователя. В результате процесс получения документа контроля получается весьма трудоемким, а сами документы обладают низкой информативностью и достоверностью. Как следствие, в практике контроля обходятся без документа контроля.

4. Сложность оценки координат обнаруженного дефекта и его условных размеров по окружности изделия, обусловленная тем, что в процессе анализа дефектограмм требуется непрерывно отслеживать положение преобразователя, что является дополнительной операцией, усложняющей процедуру контроля.

Таким образом, известный способ ультразвукового контроля цилиндрических изделий, принятый за прототип, обладает малой производительностью и низкой достоверностью контроля, не позволяет получать объективный документ контроля и затрудняет получение координат обнаруженного дефекта по окружности изделия.

Технической задачей, решаемой заявляемым изобретением, является повышение достоверности ультразвукового контроля цилиндрических изделий при одновременном упрощении технологии и повышении производительности контроля и получении объективного документа контроля.

Поставленная задача достигается тем, что излучают ультразвуковые колебания в цилиндрическое изделие, принимают эхо-сигналы из изделия, осуществляют круговое сканирование по поверхности изделия путем вращения изделия при неподвижном электроакустическом преобразователе или перемещения преобразователя по круговой траектории по поверхности изделия при неподвижном изделии, принятые сигналы дополнительно регистрируют в прямоугольных координатах, пропорциональных пути перемещения преобразователя по линейной развертке траектории кругового сканирования и времени распространения ультразвуковых колебаний в контролируемом изделии, выполняют совместный анализ временных положений принятых эхо-сигналов на всем пути сканирования при полном обороте кругового сканирования, и о дефектности изделия судят по результатам анализа зарегистрированных сигналов, причем угловое положение n_д дефекта в сечении контролируемого изделия и центральный угол Δn сектора, в котором находится дефект, определяют по зарегистрированным сигналам в соответствии с выражениями
n_д = 360 С_др/С_р (1)
Δn = 360ΔC_p/C_p, (2)
где n_д - угловое положение дефекта в сечении контролируемого изделия в градусах от точки начала кругового сканирования;
Δn - центральный угол сектора, содержащего дефект;
С_др - положение центра дефекта в мм, измеренное по дефектограмме относительно точки начала кругового сканирования;
ΔC_p - условный размер дефекта по длине развертки образующей траектории сканирования в мм, измеренный по дефектограмме;
С_р -длина линейной развертки окружности круговой траектории сканирования по дефектограмме при полном обороте преобразователя,
а скорость перемещения преобразователя по круговой траектории выбирают из условия получения заданного количества эхо-сигналов от подлежащего обнаружению минимального дефекта
V_пэп ≤ ( (Δ C_min/N•T), (3)
где V_ПЭП - линейная скорость перемещения преобразователя по круговой траектории;
ΔC_min - минимальный условный размер дефекта, подлежащего обнаружению, по длине образующей траектории сканирования;
N - количество эхо-сигналов от минимального дефекта, прием которых необходим для надежного выявления дефекта на фоне мешающих отражений;
Т - период посылок зондирующих импульсов в контролируемое изделие, выбираемый из условия приема в одном цикле излучения-приема эхо-сигналов от наиболее удаленных от точки ввода ультразвуковых колебаний отражателей в изделии.

На фиг. 1 представлена схема реализации предлагаемого способа. Позиции обозначают: контролируемое изделие 1 (вал); галтельные переходы 2 изделия 1; торцы 3 изделия 1; боковые цилиндрические поверхности 4 изделия; дефект 5 (поперечная трещина), как правило, появляющийся в зоне галтельных переходов (в наиболее тонких местах изделия); электроакустический преобразователь 6 с последовательно соединенным с ним ультразвуковым дефектоскопом (на фиг. 1 дефектоскоп не показан); развертка 7 типа "А", на которой эхо-сигналы от отражателей 2, 3, и 5 в изделии 1 отображаются в координатах амплитуда U принятых эхо-сигналов - время t_р распространения ультразвуковых колебаний в контролируемом изделии; излучаемый преобразователем 6 зондирующий импульс 8; эхо-сигнал 9 от противоположного торца 3 изделия (донный сигнал); эхо-сигналы 10 от конструктивных элементов (галтельных переходов) изделия; эхо-сигнал 11 от дефекта 5; соответствующие зондирующему импульсу 8 и эхо-сигналам 9, 10 и 11 линии 8', 9', 10' и 11' зондирующих импульсов и эхо-сигналов, формируемых в процессе регистрации сигналов по предлагаемому способу; пороговый уровень 12 регистрации эхо-сигналов; траектория кругового сканирования 13 преобразователем 6 по торцевой поверхности 3 изделия 1; дефектограмма 14, отображающая временные положения всех эхо-сигналов, принимаемых из контролируемого изделия 1 в процессе кругового сканирования преобразователем 6 по траектории 13 и превышающих заданный порог регистрации 12; точка К на поверхности торца 3 изделия, соответствующая точке начала траектории сканирования; разрез А-А сечения изделия 1, содержащего поперечную трещину (дефект) 5.

Геометрические, угловые и временные параметры изделия 1, дефекта 5 и эхо-сигналов от них на фиг. 1 обозначены:
L - длина изделия (вала);
l_д - расстояние от поверхности сканирования (торца 3 изделия) до дефектного сечения (глубина залегания дефекта 5, если считать от поверхности ввода у.з. луча);
С_р - длина линейной развертки окружности круговой траектории сканирования по дефектограмме при полном обороте преобразователя;
С_д - положение центра дефекта 5 в дефектном сечении (А-А), измеренное от проекции точки К начала кругового сканирования на дефектное сечение;
С_др - положение центра дефекта, измеренное по дефектограмме относительно точки К начала кругового сканирования;
ΔC - - условный размер дефекта 5 - участок траектории 13 кругового сканирования, на котором принимаются эхо-сигналы 11 от дефекта 5 с амплитудой, превышающей заданный порог 12;
ΔC_p - условный размер дефекта 5 по длине развертки образующей траектории сканирования в мм, измеренный по дефектограмме 14;
t_д - время распространения у.з. колебаний от преобразователя 6 до дефекта 5 и обратно;
V_пэп- линейная скорость перемещения преобразователя 6 по круговой траектории 13;
R - радиус траектории кругового сканирования;
n_д - угловое положение центра дефекта 5 в дефектном сечении контролируемого изделия (в градусах) относительно точки К (точнее его проекции на дефектное сечение);
Δn - центральный угол сектора, содержащего дефект 5, в дефектном сечении А-А изделия 1.

Способ ультразвукового контроля цилиндрических изделий реализуется следующим образом.

В контролируемое цилиндрическое изделие 1 с галтельными переходами 2, с торцевыми поверхностями 3 и цилиндрическими поверхностями 4, а также возможными поперечными трещинами 5 излучают ультразвуковые колебания с помощью электроакустического преобразователя 6, установленного на одну из торцевых поверхностей 3. Ультразвуковые колебания, встречая на пути распространения отражатели в виде галтельных переходов 2, возможных дефектов 5 и противоположного торца 3 изделия, отражаются от них и возвращаются на преобразователь 6, работающий в совмещенном (излучение - прием) или в раздельно-совмещенном режиме. Принимают серию эхо-сигналов, которые в способе, принятом за прототип, отображают на экране (дисплее) дефектоскопа (дефектоскоп на фиг. 1 не показан) в координатах амплитуда U принятых эхо-сигналов-время t_р распространения ультразвуковых колебаний в контролируемом изделии в виде типовой "A"-развертки 7 с изображением зондирующего импульса 8, сигнала 9 от противоположного торца 3 (донного сигнала), эхо-сигналов 10 от других конструктивных элементов изделия (галтельных переходов 2 и т.п.) и эхо-сигнала 11 от дефекта 5. В предлагаемом способе ультразвукового контроля цилиндрических изделий все эхо-сигналы, амплитуда которых превышает заданный порог 12, регистрируются в виде яркостных отметок (точек) на оси, пропорциональной времени t_р распространения ультразвуковых колебаний в изделии (см. фиг. 1). Причем ширина яркостной отметки пропорциональна длительности эхо-сигнала на уровне порога регистрации и косвенно свидетельствует об амплитуде сигнала (чем больше амплитуда, тем шире эхо-сигнал у основания). Осуществляют круговое сканирование путем перемещения (обводки) преобразователя 6 по плоской поверхности торца 3 изделия 1 с линейной скоростью V_пэп вдоль кромки торца по окружности 13. В каждой точке нахождения преобразователя 6 последовательно излучают, принимают и регистрируют эхо-сигналы от отражателей в контролируемом изделии 1. При этом в каждом цикле излучения-приема ультразвуковых колебаний регистрацию эхо-сигналов производят на оси времени t_р в виде яркостных отметок, одновременно смещая ось t_р синхронно с перемещением преобразователя в перпендикулярном (относительно данной оси) направлении. В результате формируется томографическая развертка (растр), в которой каждой строке на дефектограмме 14 соответствует определенное положение преобразователя 6 при сканировании, а точнее каждой строке на дефектограмме соответствует конкретная акустическая строка с отображением временного положения эхо-сигналов (при этом на этих строках изображение оси t_р не приводится). За один оборот преобразователя 6 по круговой траектории 13 формируется дефектограмма 14 в прямоугольных координатах, пропорциональных пути X перемещения преобразователя по траектории кругового сканирования и времени t_р распространения ультразвуковых колебаний в контролируемом изделии. Естественно при этом длина регистрации С_р дефектограммы по оси Х будет пропорциональна фактической длине окружности С траектории сканирования
C_p = 2MπR, (4)
где R - радиус окружности круговой траектории преобразователя (см. фиг. 1);
М = С_р/С - масштаб представления длины окружности на дефектограмме по оси X.

Яркостные отображения эхо-сигналов от постоянных в процессе кругового сканирования, отражателей (галтельных переходов, противоположного торца) в контролируемом изделии 1 на дефектограмме 14, сливаясь, образуют линии донных сигналов 9', эхо от галтельных переходов 10' и т.п. Аналогично формируется и линия зондирующих импульсов 8'. Эхо-сигналы от локальных отражателей, например, от поперечной трещины 5, принимаются преобразователем только на определенном участке (дуге) траектории кругового сканирования и естественно на дефектограмме 14 отображаются в виде отрезка 11' ограниченной длины. На фоне протяженных линий 9' и 10' эхо-сигналов от конструктивных отражателей короткая линия 11' эхо от дефекта 5 весьма четко выделяется и может быть легко обнаружена оператором. Кроме того, по местоположению данного отрезка на дефектограмме можно оценить как глубину залегания l_д обнаруженного дефекта 5 от поверхности сканирования 3 и взаимное положение его относительно конструктивных элементов 2 и 3 контролируемого изделия 1, так и его условные размеры: условный размер по длине образующей ΔC = ΔC_p/M и положение дефекта по окружности С_д = С_др/М от точки начала сканирования (точка А на фиг. 1). Глубину залегания l_д дефекта 5 определяют по известному [7] выражению l_д = ct_д/2, где c - скорость продольных у.з. колебаний.

Угловое положение n_д дефекта в градусах от точки начала сканирования, при известном положении С_др дефекта на дефектограмме 14 определяется выражением
n_д = 180C_др/MπR, (5)
а центральный угол Δn сектора, содержащего дефект,
n_д = 180ΔC_р/MπR. (6)
Подставив из (4) значения масштаба М регистрации сигналов контроля по оси X (М = С_р/С) и длины окружности С траектории кругового сканирования C = 2πR в (5) и (6), получим более простые выражения для определения искомых угловых параметров n_д и Δn нахождения дефектов в сечении контролируемого изделия
n_д = 360 С_др/С_р,
Δn = 360ΔC_p/C_p.
Таким образом, по полученной дефектограмме можно оценить практически все интересующие заказчика параметры обнаруженного в контролируемом изделии дефекта:
- глубину l_д залегания дефекта (расстояние от точки ввода у.з. колебаний до дефектного сечения) как величину, пропорциональную времени распространения t_д у. з. колебаний до дефектного сечения и обратно l_д=ct_д/2, причем время t_д определяется по дефектограмме (см. фиг. 1);
- условный размер дефекта по длине образующей ΔC;
- угловое положение n_д дефекта в градусах от точки начала сканирования;
- центральный угол Δn сектора, содержащего дефект.

Кроме того, полученная дефектограмма дает оператору, выполняющему контроль, иллюстрированное представление о размещении дефекта относительно конструктивных элементов в изделии: галтелей, шпоночных пазов и т.п. и позволяет оперативно принимать решение о качестве проконтролированного изделия
При реализации предлагаемого способа в отличие от прототипа не требуется в каждой точке нахождения преобразователя на траектории сканирования анализировать получаемые эхо-сигналы, а достаточно после завершения сканирования выполнить разовый анализ всей совокупности зарегистрированных сигналов. Это позволяет существенно (как показывает практика, до 5 раз) повысить производительность контроля изделий. Наличие документа, отображающего результаты всей процедуры контроля, повышает надежность и объективность результатов дефектоскопирования изделий.

Линейная скорость перемещения электроакустического преобразователя в процессе сканирования по торцевой или цилиндрической поверхности контролируемого изделия должна выбираться из условия получения достаточного количества эхо- сигналов от минимального отражателя (дефекта), подлежащего выявлению и залегающего на самом удаленном от точки ввода у.з. колебаний участке изделия. Если для надежного обнаружения дефекта с минимальным условным размером по длине образующей ΔC_min на фоне мешающих отражений от конструктивных элементов в процессе кругового сканирования необходимо принять не менее N эхо-сигналов, то линейная скорость V_пэп перемещения электроакустического преобразователя должна удовлетворять условию
V_пэп ≤ ( Δ C_min/N•T), (7)
где Т - период посылок зондирующих импульсов в контролируемое изделие.

В свою очередь, период Т должен быть выбран из условия приема в одном цикле излучения-приема у.з. колебаний эхо-сигналов от всех возможных отражателей в контролируемом изделии. Например, при контроле цилиндрического изделия путем сквозного прозвучивания с одного из торцов изделия
T≥2(•L+1,51D)/с, (8)
где L - расстояние от точки ввода у. з. колебаний до отражателя, залегающего на максимальной глубине изделия; при контроле осей и валов путем сквозного прозвучивания с торца изделия - L- длина контролируемой оси или вала;
1,51 - коэффициент, учитывающий разницу в скорости поперечных и продольных волн, в соответствии с [1, стр. 9], обеспечивает прием эхо-сигналов, сформированных трансформированным у. з. лучом при вводе колебаний с торца контролируемого изделия;
D - усредненный диаметр изделия в зоне дефекта;
с - скорость распространения у.з. колебаний в материале контролируемого изделия, причем при угле ввода луча меньше первого критического [4] скорость с равна скорости c_l продольной волны (c = c_l); при угле ввода больше первого критического скорость с равна скорости c_t поперечной волны (с = c_t).

Например, при контроле главного приводного вала эскалатора типа Н-10-20 метрополитена длиной 2724 мм (см. стр. 78 Инструкции [1]) путем продольного сквозного прозвучивания с помощью прямого (α = 0^o) преобразователя и необходимости обнаружения дефекта с условным размером по длине окружности ΔC_min = 10 мм, в соответствии с выражением (8) получим, что период посылок Т зондирующих импульсов в контролируемое изделие должно быть не менее 1,051•10^-3 с. При этом принято, что скорость распространения продольных у.з. колебаний с = 5900 м/с [4].

Подставив полученное значение периода Т в выражение (7) для минимального числа импульсов, необходимых для уверенного выявления дефектов на фоне мешающих отражений N = 10, получим, что скорость перемещения преобразователя при круговом сканировании не должна превышать V_пэп ≤ 0,951 м/с ≈ 1,0 м/с.

Таким образом, реализацию предлагаемого способа ультразвукового контроля при дефектоскопировании главного приводного вала эскалатора типа Н-10-20 необходимо осуществлять при соблюдении следующих условий:
- частота посылок F зондирующих импульсов должна быть не более, чем определено по выражению (8)
F - 1/Т = 1/1,051•10^-3=951,5≈Гц;
- скорость перемещения преобразователя в соответствии с (7)
V_пэп≤1,0 м/с.

Только при выполнении этих условий обеспечивается сквозное прозвучивание всего вала и прием достаточного количества эхо-сигналов от дефекта минимального размера, подлежащего выявлению, и формирование на дефектограмме соответствующего отображения дефекта, четко выделяющегося на фоне сигналов от конструктивных отражателей.

Аналогично, с учетом угла ввода луча и скорости поперечных колебаний определяются условия реализации способа и при наклонном вводе ультразвука с торца 3 или цилиндрической поверхности 4 изделия.

Регистрацию сигналов контроля в процессе кругового сканирования и формирования дефектограммы 14 необходимо осуществлять при синхронном перемещении преобразователя 6 и оси времени t_р на дефектограмме в перпендикулярном относительно этой оси направлении. Синхронизацию можно осуществить любыми известными способами:
- с помощью механических или электромеханических датчиков пройденного преобразователем пути (кодировщика пути) [8];
- путем обеспечения постоянства скорости (V_пэп) перемещения ПЭП по траектории сканирования и движения линейной развертки (скорости перемещения оси t_р) [9].

При любом способе синхронизации для реализации предлагаемого способа необходим ультразвуковой дефектоскоп, позволяющий получать так называемую развертку типа "В" [7]. В настоящее время отечественная промышленность выпускает несколько модификаций таких дефектоскопов [5] : УДЦ-201П (ГНЦ "ЦНИИТМАШ"), УД4-Т (АО "Votum", МГТУ им. Баумана), Авикон-02Р (АО "Радиоавионика") и "ПЕЛЕНГ" (ЗАО "Алтек"). Аналогичные возможности имеют и ряд дефектоскопов зарубежных фирм. Поэтому техническая реализация предлагаемого способа ультразвукового контроля цилиндрических изделий не вызывает особых затруднений. В отличие от типовой процедуры получения дефектограммы в виде развертки типа "В", где прямолинейное перемещение преобразователя отображается на одной из прямолинейных осей "B"-развертки, при реализации заявляемого способа по одной из осей дефектограммы фиксируются положения (путь) преобразователя при движении его по круговой траектории, развернутые в линейную развертку, т.е. круговая траектория 13 перемещения преобразователя 6 в определенном масштабе отображается на прямолинейной оси X дефектограммы 14. Совместно с другими отличительными признаками способа это дает существенную новизну и позволяет решить поставленную технической задачу повышения достоверности ультразвукового контроля цилиндрических изделий при одновременном упрощении технологии и повышении производительности контроля и получении объективного документа контроля.

Первый способ требует дополнения преобразователя 6 датчиком пройденного пути (кодировщиком пути) и соединения его с соответствующим входом дефектоскопа (см. , например, [10]), что естественно несколько усложняет аппаратное обеспечение предлагаемого способа. В то же время, при использовании кодировщика пути. имеется возможность делать паузу во время сканирования, а затем возобновлять прозвучивание без потери данных и искажения получаемой дефектограммы. Такую возможность предоставляет, в частности, дефектоскоп ф. Panametrics (США) EPOCH IIIB [10].

Во втором случае требуется одновременно с началом сканирования запустить развертку дефектоскопа по оси X и перемещать преобразователь 6 по круговой траектории 13 без остановок с постоянной скоростью. При этом время развертки по оси X дефектоскопа следует выбирать равным или несколько большим времени, затрачиваемого на полный оборот кругового сканирования. Например, время кругового сканирования с торца рассмотренного выше главного приводного вала эскалатора типа Н-10-20 метрополитена (радиус круговой траектории R=90 мм) с линейной скоростью сканирования V_пэп 100 мм/с составляет 5, 66 с. При использовании для контроля отечественного дефектоскопа типа ПЕЛЕНГ (ф. "Алтек", г. Санкт-Петербург) можно выбрать типовое время сканирования, предусмотренное в дефектоскопе, равное 6 с. При размерах экрана 120 х 64 мм масштаб регистрации сигналов по оси X составляет М=0,2 и результаты контроля отображаются на дисплее дефектоскопа, занимая практически всю площадь дисплея (по оси X= 113 мм). Это позволяет оператору визуально анализировать полученную дефектограмму на дисплее и, при необходимости, используя заложенные возможности дефектоскопа ПЕЛЕНГ, запомнить ее во встроенной памяти дефектоскопа или распечатать на бумаге через компьютер.

Как показывает практика контроля валов и осей в Эскалаторной службе Петербургского метрополитена предлагаемым способом с помощью дефектоскопа ПЕЛЕНГ, второй способ синхронизации сканирования в производственных условиях предпочтительнее, чем первый, так как отсутствуют дополнительные узел (датчик пути) и электрические связи между датчиком пути и дефектоскопом. При этом получаемые с помощью данного способа погрешности оценки параметров обнаруживаемых дефектов (± 2 мм) вполне приемлемы для производственных условий. Для дополнительного повышения производительности контроля и стабильности акустического контакта в процессе кругового сканирования целесообразно использовать рекомендуемые в [11] приспособления, в частности "комбинированный искатель", представляющий собой ручной механизм для осуществления кругового сканирования с магнитной защелкой и фиксатором для преобразователя (см. рис. 113 [11]).

В результате внедрения предлагаемого способа по получаемой дефектограмме стало существенно проще интерпретировать результаты ультразвукового обзора контролируемого изделия. Исчезла характерная для прототипа трудоемкая и рутинная операция по внимательному наблюдению и анализу сигналов, представленных в амплитудно-временных координатах, в каждой точке сканирования. На получаемой дефектограмме ультразвуковые профили проконтролированных бездефектного и дефектного изделий могут быть распознаны даже неподготовленным заказчиком дефектоскопических исследований.

Таким образом, поставленная при создании изобретения задача повышения достоверности ультразвукового контроля цилиндрических изделий, в том числе и со сложной геометрией, при одновременном упрощении технологии контроля и получении документа контроля, полностью решена. В отличие от прототипа по получаемому при реализации предлагаемого способа документу контроля весьма просто определяются наличие в контролируемом изделии недопустимых дефектов и их координаты как по глубине (длине) изделия, так и их условные размеры и координаты по окружности изделия.

Внедрение предлагаемого способа в народном хозяйстве при ультразвуковом контроле ответственных изделий с цилиндрическими поверхностями позволит предотвратить возможные аварии и крушения на железнодорожном, морском и автомобильном транспорте, при добыче и транспортировке продуктов нефтегазового сортамента, при эксплуатации атомных и тепловых электростанций и других промышленных объектов.

Изобретение относится к неразрушающему контролю изделий ультразвуковыми методами и может быть использовано для обнаружения дефектов в различных цилиндрических изделиях машиностроения и др. отраслях промышленности. Повышение достоверности ультразвукового контроля цилиндрических изделий при одновременном упрощении технологии и повышении производительности контроля и получении объективного документа контроля достигается тем, что излучают ультразвуковые колебания в цилиндрическое изделие, принимают эхо-сигналы из изделия, осуществляют круговое сканирование по поверхности изделия. Анализируют принятые э-эхо-сигналы, регистрируют их в прямоугольных координатах, пропорциональных пути перемещения преобразователя по траектории кругового сканирования и времени распространения ультразвуковых колебаний в контролируемом изделии. Выполняют совместный анализ временных положений принятых эхо-сигналов на всем пути сканирования при полном обороте кругового сканирования. О дефектности изделия судят по результатам анализа зарегистрированных сигналов. Кроме того, угловое положение дефекта в сечении контролируемого изделия и центральный угол сектора, в котором находится дефект, определяют по зарегистрированным сигналам в соответствии с определенными выражениями. Скорость перемещения преобразователя по круговой траектории выбирают из условия получения заданного количества эхо-сигналов от подлежащего обнаружению минимального дефекта. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ ультразвукового контроля цилиндрических изделий, заключающийся в том, что излучают ультразвуковые колебания в изделие, принимают эхо-сигналы из изделия, осуществляют круговое сканирование по поверхности изделия, анализируют принятые эхо-сигналы, отличающийся тем, что принятые сигналы регистрируют в прямоугольных координатах, пропорциональных пути перемещения преобразователя по траектории кругового сканирования и времени распространения ультразвуковых колебаний в контролируемом изделии, выполняют совместный анализ временных положений принятых эхо-сигналов на всем пути сканирования при полном обороте кругового сканирования и о дефектности изделия судят по результатам анализа зарегистрированных сигналов. 2. Способ ультразвукового контроля цилиндрических изделий по п.1, отличающийся тем, что угловое положение n_д дефекта в сечении контролируемого изделия и центральный угол Δn сектора, в котором находится дефект, определяют по зарегистрированным сигналам в соответствии с выражениями
n_д = 360C_др/C_р;
Δn = 360ΔC_р/C_р,
где n_д - угловое положение дефекта в сечении контролируемого изделия в градусах от точки начала кругового сканирования;
Δn - центральный угол сектора, содержащего дефект;
C_др - положение центра дефекта, измеренное по дефектограмме относительно точки начала кругового сканирования;
ΔC_p - условный размер дефекта по длине развертки образующей траектории сканирования, измеренной по дефектограмме;
C_р - длина линейной развертки окружности круговой траектории сканирования по дефектограмме при полном обороте преобразователя. 3. Способ ультразвукового контроля цилиндрических изделий по п.1 или 2, отличающийся тем, что скорость перемещения преобразователя по круговой траектории выбирают из условия получения заданного количества эхо-сигналов от подлежащего обнаружению минимального дефекта
V_пэп ≤ (ΔC_min/N•T),
где V_пэп - линейная скорость перемещения преобразователя по круговой траектории;
ΔC_min - минимальный условный размер дефекта, подлежащего обнаружению, по длине образующей траектории сканирования;
N - количество эхо-сигналов от минимального дефекта, прием которых необходим для надежного выявления дефекта на фоне мешающих отражений;
Т - период посылок зондирующих импульсов в контролируемое изделие.