Обоснована актуальность создания современных систем ультразвукового контроля листового проката с применением электромагнитно-акустических преобразователей (ЭМАП). Предложены методы повышения чувствительности, помехозащищенности и информативности контроля. Даны краткие сведения об установках типа "Север" для автоматизированного ультразвукового бесконтактного контроля листового проката.

Об авторах

Кириков Андрей Васильевич

Технический директор "Компании Нординкрафт". III уровень по акустическим методам контроля. В 1987 г. окончил ЛЭТИ им. Ульянова (Ленина). Научная специализация - автоматизированные системы ультразвукового контроля с применением ЭМАП.

Забродин Александр Николаевич

Заместитель технического директора "Компании Нординкрафт", канд. техн. наук. Научные интересы - обработка сигналов и повышение информативности ультразвукового контроля.

Комлик Алексей Вячеславович

Сотрудник "Компании Нординкрафт". Окончил в 1998 г. ПГУПС по специальности "Методы и приборы неразрушающего контроля".

Общим признаком систем, реализующих "традиционные" методы контроля листового проката (иммерсионный, струйный, щелевой), является обязательное применение жидкой промежуточной среды (как правило, это вода) между преобразователем и объектом контроля (ОК).

Контактная жидкость является "ахиллесовой пятой" традиционных методов и большинства реализующих эти методы систем. Необходимость применения жидкости все чаще вступает в конфликт с современными металлургическими технологиями. Все труднее обеспечить необходимые требования по скорости перемещения, температуре, состоянию поверхности объекта контроля. Их далеко не всегда удается встроить в технологический поток. Использование воды, даже с добавлением ингибиторов, часто приводит к коррозии ОК и, как следствие, к ухудшению товарного вида продукции.

Бесконтактные методы возбуждения акустических волн посредством ЭМАП существенно расширяют возможности ультразвукового контроля при высоких и низких температурах, шероховатой и загрязненной поверхности объекта контроля, а также в случаях, когда по применяемой технологии контактирующие жидкости применять недопустимо.

С помощью ЭМАП, что очень важно, легко возбудить, например, поперечные волны, распространяющиеся по нормали и под углом к поверхности (объемные 5Н-волны), а также поперечные нормальные волны.

ЭМАП не нагружают поверхность ОК, что позволяет устранить проблемы, связанные с реверберационными процессами, явлениями на границе раздела сред, в слое контактной или иммерсионной жидкости. Акустический тракт ЭМА-дефектоскопа весьма прост, поскольку ультразвуковые волны возбуждаются и распространяются, как правило, только в самом ОК. Только сам ОК, содержащиеся в нем неоднородности, способны изменить картину волнового поля.

Имеются основания считать, что поперечные волны, распространяющиеся по нормали к поверхности, более чувствительны к некоторым дефектам. Они распространяются вдвое "медленнее" продольных, что создает весьма благоприятные условия для толщинометрии, повышения разрешающей способности при контроле эхо-методом.

Электромагнитный контакт ЭМАП с поверхностью объекта контроля в большинстве случаев является гораздо более устойчивым, нежели акустический контакт для пьезоэлектрических преобразователей. Колебания опорного "донного" сигнала на бездефектных участках листового проката редко превышают 4-6 дБ.

Акустическая ось не отклоняется при изменении положения ЭМАП относительно поверхности объекта контроля.

Применение поперечных волн определенной поляризации позволяет с высокой чувствительностью обнаруживать неблагоприятно (для отражения) ориентированные трещины, даже если их плоскость параллельна направлению про- звучивания.

К недостаткам ЭМАП относят их сравнительно низкую чувствительность и помехозащищенность.

Одним из возможных методов кардинального повышения чувствительности ЭМА-системы является применение когерентной обработки принимаемых сигналов.

Помеха не коррелирована с полезным сигналом и имеет случайную амплитуду и фазу. Среднее ее значение (по большому числу тактов) в интересующей нас точке временной оси стремится к нулю.

Теоретически когерентное накопление полезного сигнала позволяет получить любое, сколь угодно большое отношение сигнал/шум. Например, сигналы на уровне шумов после стократного (N =100) накопления будут превышать последние на 20 дБ !

Однако "вытаскивание" полезного сигнала из шумов происходит по закону N1/2 (N-число накоплений), а значит требует определенного времени tK.

Если Т — период поступления информативного сигнала (период посылок зондирующих импульсов), NH — необходимое число накоплений, SH и SИ — соответственно необходимое и исходное отношения сигнал/шум, то tK= T(SH/SИ)2. Анализ этого выражения показывает, что применение накопителя принципиально позволяет реализовать любую необходимую чувствительность, значение которой, однако, ограничивается быстродействием системы регистрации дефектов. Быстродействие может быть повышено сокращением времени Т между соседними зондирующими импульсами (ЗИ), то есть повышением эффективной частоты их посылок.

В "традиционных" дефектоскопах, как правило, ЗИ следуют через строго определенные интервалы времени (Т = const). Частота их посылок выбирается с таким расчетом, чтобы реверберационные процессы, вызванные предыдущим импульсом, завершились к началу следующего.

Иногда, для распознавания или исключения ложных импульсов производится изменение частоты ЗИ. Однако специальных мер для по-стоянной вариации этой величины в известных нам системах не предусмотрено.

Вариация периода посылок ЗИ, непрерывного осуществляемая по определенной программе, позволяет существенно повысить эффективную их частоту (а следовательно, значение вводимой в ОК мощности) и, при выполнении определенных условий, избежать неприятных последствий реверберационной помехи.

Комбинация когерентного накопления с вариацией периода посылок ЗИ по определенной программе позволяет достичь существенного повышения быстродействия системы (уменьшения параметра tK).

Вариация интервала между ЗИ (Т-параметра), может осуществляться по простейшему или даже случайному закону. Однако гораздо большего эффекта можно достичь путем комбинации когерентного накопления с более сложными вариациями. Так например, осуществление вариации по "чередующему" закону: ... Т0; Т0 + τ, Т0; Т0 + τ, Т0; Т0 + τ..., где Т0 - базовое значение периода, t=Sf (f - рабочая частота контроля), теоретически позволяет полностью избавиться от реверберационной помехи при любом четном количестве накоплений.

Описанная выше идеология реализована в целом ряде надежных и компактных установок типа "Север" для автоматического бесконтактного ультразвукового контроля сортового и листового проката. Рассмотрим последнюю разработку компании "Нординкрафт". Бесконтактная установка "Север-5-32" предназначена для контроля стальной полосы толщиной от 6 до 16 мм и шириной 1000-2000 мм в технологическом потоке трубных станов и позволяет выявлять расслоения, неметаллические включения, дыры, закаты, зоны рыхлости и другие нарушения сплошности.

Установка содержит две функционально независимые системы ультразвукового контроля:

-систему контроля кромок;

-систему контроля основного металла.

В зазор между ЭМАП и поверхностью объекта контроля подается сжатый воздух (используется принцип "воздушной подушки"), который обеспечивает защиту ЭМАП от механических повреждений и создает пневматическую "завесу" при высокотемпературном контроле. Скорость перемещения листа до 10 м/с, температура полосы от -20 до + 150°C.

Система контроля кромок реализуется путем одностороннего или сквозного прозвучивания сдвиговыми ультразвуковыми волнами, распространяющимися по нормали к поверхности листа. Контроль производится с помощью четырех трехканальных модулей ЭМАП (два модуля правой и два модуля левой кромок), расположенных сверху и снизу полосы.

Система контроля кромок позволяет использовать и одностороннее прозвучивание (совмещенные ЭМАП) и сквозное прозвучивание (раздельные ЭМАП).

При одностороннем прозвучивании реализуются одновременно или в сочетаниях эхо-метод, зеркально- теневой метод и многократный зеркально-теневой метод, а при сквозном - эхо-сквозной метод, многократно-теневой и теневой методы.

Система контроля основного металла содержит два модуля ЭМАП, прозвучивающих полосу во взаимно противоположных направлениях одной из мод нормальных волн SH-поляризации.

Система, реализуя относительный эхо- метод, гарантирует выявление дефектов, эквивалентных по отражающей способности сквозному отверстию диаметром, равным половине толщины листа.

Предусмотрена возможность работы абсолютным эхо-методом с аналогичной чувствительностью, настраиваемой по контрольным отражателям.

Установки типа "Север-5-32", а также ряд установок другого типа успешно применяются на заводах ОАО "Северсталь", ОАО "ПО Волжский трубный завод".