В современных дефектоскопах для ручного контроля, наря­ду с представлением сигналов на развертке типа А, в качестве дополнительной предусматривается возможность отображения сигналов на развертке типа В. С помощью таких приборов можно реализовать новые технологии контроля, позволяющие существенно увеличить наглядность представления резуль­татов и производительность контроля.

Об авторе

Марков Анатолий Аркадиевич 

Начальник отдела "Методов и средств НК" АО "Радиоавионика", к. т. н., доцент. III уровень по акусти­ческим методам. Ру­ководитель разработ­ки УЗ-дефектоскопа АВИКОН-01 и комп­лекса АВИКОН-ОЗ ва­гона дефектоскопа.

Принцип формирования развертки типа В 

В ультразвуковых дефектоскопах для контроля рельсов с 50-х гг. применяется представление эхо-сигналов в координатах вре­мя (t_p) распространения УЗ-колебаний в конт­ролируемом изделии — время (t_дв,) движения пьезопреобразователя (ПЭП) по поверхности этого изделия. В пределах одного цикла излучения-приема эхо-сигнал в этих координатах ото­бражается в виде точки (яркостного пятна), положение которой зависит от глубины залегания отражателя и от местоположения ПЭП по длине изделия (рис. 1). Видно, что В-развертка более наглядно представляет взаимное расположение отражателей по длине и глубине контролируемого изделия, но не отражает информацию об ампли­туде и форме эхо-сигналов.

Наиболее просто изображение эхо-сигналов на развертке типа В формируется при контроле изделий с помощью прямых преобразователей, когда угол ввода колебаний в изделие α = 0°. При этом временное положение эхо-сигнала прямо пропорционально глубине залегания отражателя h и зависит только от скорости распространения УЗ-колебаний в изделии (рис. 1).

Рис. 1: а - схема прозвучивания пря­мым ПЭП; б - сигналы на экране типо­вого дефектоскопа в А-развертке (по­вернуто на 90°); в - сигналы в развертке типа В

Реальная картина эхо-сигнала от точечного отражателя несколько сложнее изображенной на рис. 1 и представляет собой не одиночную точку, а короткую дугу. Это объясняется следующим: любой ПЭП об­ладает определенной диаграммой направленности с углом раскрытия 2φ_р. По мере перемещения ПЭП по поверхности изделия точечный от­ражатель первоначально будет озвучиваться одним краем УЗ-пучка. При этом расстояние между ПЭП и отражателем неско­лько больше, чем глубина h залегания отражателя (r_max  = h/cosφ_p). По мере перемеще­ния ПЭП это расстояние умень­шается до величины h (в мо­мент нахождения ПЭП над отражателем), а потом опять увеличивается, достигая зна­чения гтах в момент выхода другого края луча за пределы отражателя. В результате на дефектограмме образуется дугообразное изображение сигнала. Причем длина этой дуги тем больше, чем больше угол раскрытия диаграммы направленности 2φ_р. При про­чих равных условиях без учета затухания колебаний в контролируемом изделии дли­на дуги изображения возрас­тает с увеличением глубины залегания дефекта. На прак­тике вследствие затухания и рассеяния колебаний этот эф­фект не столь ярко выражен и при расшифровке сигналов практически не используется.

При контроле изделий с плоскопараллель­ными поверхностями в большинстве случаев одновременно с пропаданием донного сигнала во временной зоне между зондирующим и донным сигналом появляется эхо-сигнал от дефекта. При этом на развертке типа В прерывается линия донного сигнала, идущая параллельно линии зондирующего сигнала, и между этими двумя линиями появляется изображение эхо-сигнала от дефекта (рис. 1).

Размер изображения эхо-сигнала вдоль оси t_дв может превышать размер просвета (зоны пропадания) линий донного сигнала. Как правило, просвет в линии донного сигнала больше соответствует раз­меру проекции дефекта на поверхность сканирования, чем линейный размер изображения эхо-сигналов.

При значительной отражающей способности дефекта возможны многократные переотражения от дефекта и поверхности сканирова­ния. В этом случае на развертке типа В наблюдается серия равно­отстоящих друг от друга эхо-сигналов от дефекта.

При вводе колебаний под определенным углом а интервал t_p зависит не только от глубины залегания h отражателя и скорости волны с, но и от угла p = 2hl(c_t cos α_i). В процессе сканирования текущий угол од меня­ется в пределах угла раскрытия 2ф_р основного дефекта. Соответственно изменяется и времен­ное положение эхо- сигнала на развертке типа В.

Рис. 2: а - В-развертка; б - схема прозвучивания

Рис. 3. Пример отображения эхо- сигнала в зоне болтового стыка сис­темой из двух наклонных ПЭП: а - схема прозвучивания; б и в - сигналы, принятые отдельно наез­жающим и отъезжающим ПЭП

Можно показать, что для уг­лов раскрытия диаграммы на­правленности реальных ПЭП, не превышающих 14 ÷ 16° (2φ_р < 16°), изменение време­ни задержки t_p при равномер­ном движении ПЭП происходит почти по линейному закону.

По мере перемеще­ния ПЭП с наклонным вводом УЗ-колебаний по зоне локации ∆х дефекта на развертке типа В формируется изображение в виде набора точек (яркост- ных пятен), совокуп­ность которых образу­ет наклонную линию (рис. 2). По получен­ным отображениям эхо-сигналов на раз­вертке типа В можно оценить условные вы­соту ∆t и ширину ∆Х дефектов (рис 3).

При одновременном ана­лизе пачек эхо-сигналов от нескольких отражателей мож­но ввести дополнительные па­раметры, характеризующие их взаимную ориентацию. Напри­мер, установлено, что времен­ной интервал δt пачек эхо-сигналов от трещины и от стенок болтового отверстия в рельсе зависит от ориентации трещины и не может быть больше определенной вели­чины (для рельсов типа Р50 - не более 16 мкс), а величина перекрытия  ∆С пачек сигналов (рис. 3) может быть как положительной, так и отрицательной.

Примеры представления сигналов контроля конкретных изделий на развертке   типа В 

На рис. 4 и 5 представлены примеры запи­сей сигналов при сканировании участка рельса и цилиндрического изделия (вала). При определен­ном навыке по полученным дефектограммам весьма просто можно распознать как конструк­тивные отражатели изделия, так и залегающие внутри изделия трещины.

Рис. 4. Основные параметры пачек эхо-сигналов от болтового отверстия с трещиной: 1,2- пачки сигналов от трещины и отверстия соответственно; 3 - линия зон­дирующих импульсов и шумов; ∆x_∑ - суммарная услов­ная ширина; ∆с - величина перекрытия; δt - временной интервал

Так, при сканировании зоны болтового стыка рельсовой колеи па­рой наклонных преобразователей на дефектограмме отображаются наклонные линии от стенок болтовых отверстий и возможных тре­щин (рис. 4). По наличию дополнительной наклонной линии вблизи отображения сигналов от стенок болтового отверстия можно не только судить о наличии трещины, но и определить её ориентацию.

УЗК цилиндрических изделий (твэлы ядерных реакторов, элементы бурильных труб газовых и нефтяных месторождений, оси колесных пар, валы и оси эскалаторов метрополитенов, ободья и бандажи ж.-д. колес, трубы, прутки, прокат и другие изделия круглого профиля) в основном выполняют путем установки ПЭП на плоскую торцевую поверхность или, если имеется возможность, на боковую цилиндриче­скую поверхность контролируемого объекта. Круговое сканирование выполняется либо путем перемещения ПЭП по окружности торца или боковой поверхности изделия при неподвижном его положении, либо путем вращения контролируемого изделия относительно его про­дольной оси при неподвижном ПЭП.

В процессе излучения и приема колебаний на экране ЭЛТ или дисплея дефектоскопа на­блюдается большое количество (до 20 и более) эхо-сигналов от различных конструктивных эле­ментов изделия (рис. 5): галтельных переходов, резьбовых и зарезьбовых канавок, поверхностей плотно насажанных на изделие деталей, проти­воположного торца изделия. При круговом скани­ровании временные положения эхо-сигналов от них и их амплитуды (развертка типа А) являются достаточно постоянными при условии обеспечения стабильного акустического контакта. Эхо-сигналы от возможных дефектов, ввиду их нерегуляр­ности, могут появиться только на определенном участке (дуге) окружности траектории сканирова­ния. УЗК таких изделий с использованием раз­ вертки типа А весьма трудоемок, имеет низкую надежность и малую производительность.

При фиксации сиг­налов контроля на раз­вертку типа В за один оборот преобразовате­ля 6 по круговой траек­тории 13 формируется дефектограмма 14 в пря­моугольных координа­тах, пропорциональных пути X перемещения ПЭП и времени t_p.

Рис. 5. Применение В-развертки при контроле цилиндрических изделий

При этом длина ре­гистрации С_р дефектограммы по оси X будет пропорциональна фак­тической длине окруж­ности С траектории ска­нирования: С_р = 2 МπR, где R - радиус окружно­сти круговой траектории ПЭП (рис. 5); М=С_Р/С - масштаб представле­ния длины окружности на дефектограмме по оси X.

Яркостные отображения эхо-сигналов от постоянных 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 сканирования и, естественно, на дефектограмме 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 зафик­сирована оператором.

По полученной дефектограмме можно оце­нить практически все существенные параметры обнаруженного дефекта (рис. 5): глубину залега­ния, условный размер по длине образующей ∆С, угловое положение в градусах от точки начала сканирования, центральный угол сектора, содер­жащего дефект.

Это позволяет существенно (как показывает опыт, до пяти раз) повысить производительность контроля изделий. Наличие документа, отобра­жающего результаты всей процедуры контроля, повышает надежность и объективность результа­тов дефектоскопирования изделий.

Регистрацию сигналов контроля в процессе кругового сканирования и формирования дефектограммы необходимо осуществлять при синх­ронном перемещении преобразователя б и оси времени на дефектограмме в перпендикуляр­ном относительно этой оси направлении. Синхро­низацию можно осуществить с помощью механи­ческих или электромеханических датчиков прой­денного преобразователем пути (кодировщика пути), либо обеспечивая постоянство скорости V_пэп перемещения ПЭП по траектории сканиро­вания и скорости перемещения оси t_p.

При любом способе синхронизации необходим дефектоскоп, работающий в режиме ß-развертки. В настоящее время отечест­венная промышленность выпускает несколько модификаций таких дефектоскопов: УДЦ-201П (ГНЦ "ЦНИИТМАШ"), УД4-Т (АО "Votum", МГТУ им. Баумана),"ПЕЛЕНГ (ЗАО "Аптек").

Первый способ требует дополнения преобразователя 6 датчиком пройденного пути и соединения его с соответствующим входом де­фектоскопа, что несколько усложняет аппаратное обеспечение этого способа. В то же время при использовании кодировщика пути име­ется возможность делать паузу в сканировании, а затем возобновлять прозвучивание без потери данных и искажения получаемой дефектограммы. Такую возможность предоставляют, в частности, дефек­тоскопы фирм Panametrics - EPOCH III (модель 2300), Starmans - DIO-562 и Tokimec - SM-1.

Во втором случае требуется одновременно с началом сканиро­вания запустить развертку дефектоскопа по оси Хи перемещать ПЭП по круговой траектории 13 без остановок с постоянной скоростью. Этот способ синхронизации часто предпочтительнее, так как отсутст­вуют дополнительные узел (датчик пути) и электрические связи меж­ду датчиком пути и дефектоскопом. При этом погрешности оценки параметров обнаруживаемых дефектов (± 2 мм) вполне приемлемы.

Возможности введения амплитудной градации сигналов 

Кроме требования перемещения ПЭП синх­ронно с отображением сигналов, недостатком раз­вертки типа В с пороговой регистрацией, реали­зованной в переносных дефектоскопах, является отсутствие информации об амплитуде и форме эхо-сигнала. Его можно устранить путем введения яркостной градации по амплитуде, аналогично то­му, как это делается в томографических УЗ-установках (например, системы «Авгур 4.2» НПЦ Эхо+). При этом появляется возможность вести конт­роль на максимально высокой чувствительности с последующей дифференциацией сигналов по амплитуде путем цветовой градации.

Рис. 6. Дифференциация сигналов по амплитудному признаку: а - исходная информация (чувствительность 40 дБ; б - после введения цветовой амплитудной града­ции; в - яркостная градация; г - градация по интенсив­ности серого в зависимости от амплитуды

В качестве примера на рис. 6 представлен фрагмент дефектограммы контроля зоны болтового стыка рельса при большой условной чувствительности (40 дБ по стандартному образцу СО-2). Видно, что при традиционной пороговой регистрации (рис. 6а) полезные сигналы (от трещины в зоне отверстия) не различимы на фоне структурных шумов и многократных отражений от конструктивных элементов. При введении амплитудной градации путем цветового или яркостного разделения сигнал от трещины (длинная наклонная линия на рис. 6б - г) выделяется весьма четко. Однако в переносных дефектоскопах из-за большого объема регистрируемой и обрабатываемой инфор­мации данный способ пока не нашел применения.