Кэффициент выявляемости дефекта в ЗТМ

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что понимается под точкой выхода луча ПЭП?

2. От каких факторов зависит точка выхода луча?

3. Что называется стрелой ПЭП?

4. По каким образцам можно измерить точку выхода и стрелу ПЭП?

5. Что понимается под углом ввода луча ПЭП?

6. По каким образцам можно определить угол ввода ПЭП?

7. От каких факторов зависит угол ввода?

8. Что называется точностью работы глубиномера?

9. От каких факторов зависит точность работы глубиномера?

10. Что называется условной чувствительностью в дБ?

11. Что называется условной чувствительностью в мм?

12. Перечислите образцы для настройки условной чувствительности в мм?

13. Перечислите образцы для настройки условной чувствительности в дБ?

14. Перечислите образцы для проверки мертвой зоны?

15. Дайте определение мертвой зоной?

16. От каких факторов зависит мертвая зона?

17. Что называется лучевой разрешающей способностью дефектоскопа с ПЭП?

18. На каких образцах проверяется лучевая разрешающая способность дефектоскопа с ПЭП?

19. От каких факторов зависит лучевая разрешающая способность дефектоскопа с ПЭП?

20. Что называется фронтальной разрешающей способностью дефектоскопа с ПЭП?

21. От каких факторов зависит фронтальная разрешающая способность дефектоскопа с ПЭП?

ЛЕКЦИЯ 13 – Параметры сканирования контролируемого изделия

Целью сканирования (перемещения преобразователя по поверхности изделия) является обеспечение полного озвучивания всего объема контролируемого изделия и обнаружение всех возможных дефектов, размеры которых превышают минимально допустимые для данного вида изделия.

Выбор схемы сканирования изделия зависит от формы контролируемого изделия. Сканирование рельса при ручном контроле осуществляют возвратно-поступательным прямолинейным перемещением ПЭП вдоль контролируемой зоны, непрерывно поворачивая на угол 10–30º. Поворот акустической оси ПЭП на данный угол необходим для увеличения зоны озвучивания по данной траектории перемещения ПЭП, а также для выявления дефектов, ориентация которых не соответствует основной траектории движения ПЭП.

Параметрами сканирования являются:

- шаг сканирования;

- зона перемещения ПЭП;

- максимальная скорость сканирования.

Шаг сканирования – это расстояние между соседними траекториями перемещения преобразователя. Максимальный шаг сканирования для изделий толщиной свыше 50 мм выбирают равным половине диаметра пьезоэлемента в направлении, перпендикулярном перемещению. В этом случае учитывается форма поля излучения преобразователя на разных расстояниях от пьезоэлемента. Так, на границе ближней зоны ширина акустического пучка составляет половину диаметра пьезоэлемента (рисунок 172). На расстояниях, соответствующих дальней зоне, ширина пучка становится все больше за счет расхождения лучей.

Для изделий толщиной менее 50 мм он определяется экспериментально. При контроле рельсов (так как толщина контролируемого слоя практически во многих случаях менее 50 мм – шейка сбоку, подошва сверху, головка сверху) шаг выбирается равным 3 мм, что составляет ¼ диаметра ПЭП (рисунок 173).

Зона сканирования (перемещения) ПЭП выбирается в зависимости от угла ввода ПЭП и способа прозвучивания (прямым, однократно- или многократно-отраженным лучом), которые в свою очередь выбираются исходя от толщины контролируемого слоя, для полноты его озвучивания, и ориентации дефектов.

Максимальная скорость сканирования должна быть такой, чтобы:

- в процессе перемещения ПЭП не ухудшалось качество акустического контакта;

- за время перемещения ПЭП над компактной несплошностью оператор успел отреагировать на индикацию, промелькнувшую на индикаторе. Срабатывание (даже кратковременное) АСД говорит о том, что в зоне звукового луча был отражатель. Поэтому оператор должен вернуться на место получения индикации эхо-сигнала, провести тщательное сканирование участка для установления его дефектности.

При ручном контроле скорость сканирования не должна превышать 100 мм/с. Учитывая факторы нестабильности акустического контакта, помехи, ложные сигналы, поиск дефектов осуществляется на поисковой чувствительности.

При контроле рельсов дефектоскопами сплошного контроля максимальная скорость перемещения должна быть такой, чтобы была возможность фиксировать несплошность с минимальным условным размером Δ L _min. Минимальный условный размер дефекта определяют экспериментально как усредненный результат многократных лабораторных измерений при заданной чувствительности, скорости сканирования и высоком качестве акустического контакта.

При контроле рельсов дефектоскопными тележками считается достаточным, если при рабочей скорости (около 4 км/ч) в рельсе уверенно обнаруживаются отверстия от контактных соединителей диаметром 6–10 мм.

Минимальный условный размер дефекта Δ L _min напрямую зависит от скорости сканирования и частоты следования F зондирующих импульсов, которая в рельсовых дефектоскопах не подлежит регулировке. Частотой следования (частотой посылок) зондирующих импульсов называется количество импульсов упругих колебаний, вводимых дефектоскопом в объект контроля в единицу времени.

Немаловажным фактором при этом является инерционность индикаторов дефектоскопа. Во многих дефектоскопах индикаторы при контроле срабатывают только после появления определенного заранее заданного числа N эхосигналов. Это позволяет исключить индикацию ложных сигналов и кратковременных помех.

Число N характеризует инерционность индикатора. Скорость сканирования V _max не должна превышать значения, при котором от дефекта на регистратор поступает не менее N сигналов.

При установленных скорости сканирования V _max, частоте посылок зондирующих импульсов F, инерционности индикатора N дефектоскопом будут фиксироваться только те дефекты, условная протяженность Δ L вдоль рельса которых будет равна или превышать

Δ L ≥ Δ L _min =, (60)

Например, при контроле рельса дефектоскопной тележкой N = 2 импульса, F = 1000 Гц, V = 1,0 м/с (4 км/ч):

Δ L _min = = 0,002 м = 2 мм.

При инерционности индикатора дефектоскопа N =2 и V = 1,4 м/с (5 км/ч):

Δ L _min = = 0,0028 м = 2,8 мм.

При инерционности индикатора дефектоскопа N =3 и V = 1,4 м/с (5 км/ч):

Δ L _min = = 0,0042 м = 4,2 мм.

Таким образом, для увеличения скорости контроля частоту следования зондирующих импульсов необходимо выбирать возможно большей. В случае невозможности регулировки частоты следования ЗИ, увеличение скорости контроля увеличивает вероятность пропуска дефектов. Нужно также отметить, что условия обнаружения дефекта не зависят от его истинного размера, а определяются его эффективной отражающей поверхностью.

ЛЕКЦИЯ 14 – Зеркально-теневой метод

В большинстве средств рельсовой дефектоскопии имеются каналы, работающие на основе зеркально-теневого метода (ЗТМ), которому предшествовал теневой метод. Как видно из рисунка 174, зеркально-теневой метод реализуется, если перенести приёмный пьезоэлектрический преобразователь, реализующий теневой метод, с донной поверхности на поверхность сканирования изделия и наблюдать за уровнем (амплитудой) дважды прошедшего через изделие сигнала (от поверхности ввода до донной поверхности и обратно).

Рисунок 174 – Переход от теневого метода к зеркально-теневому

В методе используется как прямой, так и наклонный ввод акустического луча. При любом способе реализации зеркально-теневого метода амплитуда донного сигнала в процессе перемещения ПЭП несколько меняется из-за нарушений акустического контакта и спадает при обнаружении дефекта (рисунок 175).

Рисунок 175

Поэтому, во всех случаях признаком обнаружения дефекта служит уменьшение донного импульса в определенное, наперед заданное количество раз. Наперед заданное количество раз задается при настройке дефектоскопа при помощи аттенюатора и представляет величину ослабления амплитуды донного сигнала, при которой срабатывает звуковая сигнализация дефектоскопа. Чем крупнее дефект, тем существеннее ослабление донного импульса, вызываемое этим дефектом. Обычно порог срабатывания закладывают так, чтобы амплитуда донного сигнала, рассеянного на дефекте ослаблялась в пять раз в сравнении с амплитудой донного от бездефектного рельса и составляла К _с = 0,2 или 14 дБ.

Величина ослабления донного импульса оценивается коэффициентом ослабления

К _с = U _д / U ₀, (61)

где U ₀ – амплитуда донного сигнала при отсутствии дефекта;

U _д – амплитуда того же донного сигнала при наличии дефекта.

При достаточной мощности зондирующих колебаний ультразвуковой луч может пробегать по толщине рельса несколько раз. В результате принимается серия донных импульсов (до 12!), амплитуда которых уменьшается по экспоненциальному закону по мере увеличения порядкового номера отражений (рисунок 176). При сплошном контроле рельсов с помощью дефектоскопных тележек производят анализ изменения амплитуд первого или второго донного сигналов. Выделение донного сигнала производят с помощью стробирующего импульса.

Рисунок 176 – Образование многократно отраженных донных сигналов

Величина ослабления К_с, вызываемого одним и тем же дефектом, будет различной при разных способах контроля. Для количественной оценки выявляемости дефектов используют обычно коэффициент ослабления при контроле по первому донному импульсу, который называют коэффициентом выявляемости дефекта и обозначают К _д.

Величина коэффициента К _д изменяется в пределах от 0 до 1 и тем меньше, чем больше дефект. Для дефектов, размеры которых существенно меньше длины волны, К _д = 1. Если дефект полностью перекрывает ультразвуковой пучок, то К _д = 0. Таким образом, по величие коэффициента выявляемости можно косвенно судить о размере дефекта.

1Способы реализации зеркально-теневого метода

Зеркально-теневой метод может осуществляться:

- совмещенным прямым ПЭП по первому донному сигналу (рисунок 175, а);

- совмещенным прямым ПЭП по второму донному сигналу (рисунок 175, б);

- раздельно-совмещенным прямым ПЭП по первому донному сигналу;

- двумя наклонными ПЭП поперечных волн, включенных по раздельной схеме, по донному сигналу (рисунок 175, в);

- двумя наклонными ПЭП продольных волн, включенных по раздельной схеме, по донному импульсу (рисунок 175, г).

Рисунок 175 – Способы ЗТМ

Способы по первому донному и второму донному прямым совмещенным ПЭП применялись в дефектоскопах Поиск-2, Поиск-10Э, ЭМ для реализации только зеркально-теневого метода, без совмещения с эхо-методом. В дефектоскопах РДМ-2, РДМ-22 применяется прямой РС ПЭП, так как на базе этого ПЭП реализуется одновременно с зеркально-теневым и эхо-метод и мертвая зона совмещенного прямого ПЭП мешала бы получению эхо-сигналов в подповерхностной зоне под преобразователем.

Анализ существующих спосо­бов показал:

- ослабление дефектом первого донного сигнала при контроле прямым ПЭП рисунок 175, а) больше, чем сквозного сигнала при контроле теневым методом, т.к. при теневом методе УЗВ проходят через зону дефекта (и при этом ослабляются) один раз, а при ЗТМ – два раза и ослабляются дважды. Дефекты, расположенные вблизи ПЭП при контроле прямым ПЭП по первому донному сигналу выявляются лучше, чем расположенные вблизи донной поверхности. Это объясняется тем, что вблизи преобразователя наибольшая концентрация энергии акустического поля, поэтому наиболее велико затеняющее действие дефекта;

- ослабление дефектом второго донного сигнала при контроле прямым ПЭП (рисунок 175, б) больше, чем первого донного сигнала. Это объясняется тем, что УЗВ проходят через зону дефекта четыре раза и ослабляются сильнее;

- при контроле двумя наклонными ПЭП продольной волны (рисунок 175, г) ослабление донного сигнала больше, чем наклонными ПЭП поперечной волны, т.к. угол ввода ПЭП намного меньше, чем у ПЭП поперечных волн, тем самым продольные волны проходят через дефект два раза;

- при контроле двумя наклонными ПЭП поперечной волны (рисунок 175, в) ослабление донного сигнала меньше, чем при контроле прямым ПЭП по первому донному сигналу, т.к. УЗВ проходят через зону дефекта один раз (за исключением случая очень протяженного дефекта).

Рисунок 176

Рисунок 87 – Обнаружение вертикальных дефектов ЗТМ: а) двумя наклонными ПЭП; б) одним прямым ПЭП.

Зеркально-теневым методом можно обнаруживать не только дефекты, ориентированные горизонтально, но также дефекты, ориентированные вертикально (рисунок 176).

При контроле по варианту (рисунок 176, а), такой дефект, чтобы быть выявленным, должен пересекать один из наклонно распространяющихся лучей. При контроле прямым ПЭП (рисунок 176, б) вертикальный дефект также выявляется, при этом продольная волна, распространяющаяся вдоль поверхностей вертикальной трещины, это головная волна, которая порождает поперечные волны, отходящие от берегов трещины под третьим критическим углом β _кр3. В результате продольная волна (а, следовательно, донный сигнал) ослабляется. Такая ситуация (рисунок 176, б) может наблюдаться при наличии в рельсе вертикальных продольных расслоений. Необходимо рельс осмотреть визуально. Как правило, в зоне наличия дефекта 30В уширена головка рельса, а в зоне наличия дефекта кода 50 – шейка. В этом случае необходимо проконтролировать головку или шейку прямым ПЭП, устанавливая его с боковых поверхностей рельса.

3 Виды помех и помехоустойчивость

При контроле ЗТМ, когда признаком обнаружения дефекта является уменьшение амплитуды сигнала, помехой следует считать всякое возмущение, приводящее к ослаблению амплитуды сигнала. Помехи при ЗТМ можно разделить на следующие группы:

· помехи, вызванные нарушением акустического контакта между ПЭП и рельсом – возникают из-за механических повреждений (выщербины, боксовины и т.д. на поверхности катания) или загрязнений контактной поверхности рельса, отсутствия контактной жидкости (рисунок 88, а);

· помехи, возникающие вследствие изменения отражающих свойств донной поверхности – возникают из-за коррозии подошвы, прослойки воды между шпалой и подкладкой и т.д. (рисунок 88, б);

· помехи, связанные с изменением затухания ультразвука из-за структурных неоднородностей контролируемого металла – возникают в сварных стыках, связанные с укрупнением зерен (рисунок 88, в);

· помехи, обусловленные локальной непараллельностью кон­тактной и донной поверхностей – боковой износ поверхности катания рельса в кривых (дефект кода 44), волнообразный износ рельса (дефект кода 40, 49) (рисунок 88, г);

· помехи, появляющиеся при поперечных смещениях искателя (рисунок 88, д).

Рисунок 88 – Причины, вызывающие помехи при зеркально-теневом методе контроля

4 Выбор оптимальной чувствительности и способа контроля рельсов

Выбор оптимальной чувствительности контроля зависит от степени износа и загрязнения рельса. Чем меньше степень износа и загрязненности рельса, тем выше значение оптимальной чувствительности. Поэтому перед контролем необходимо определить эти факторы и установить чувствительность прямых каналов в соответствии с ними. По первому донному прозвучивание при ЗТМ ведется на рельсах с большим износом и чистой поверхностью (К_у = 0,3 – 0,4 = 8 – 10 дБ). По второму донному, который более чувствительный к дефектам рельсов и менее чувствительный к помехам, прозвучивание ведется на грязных рельсах (К_у = 0,1 – 0,2 = 14 – 16 дБ).

В современных дефектоскопах настройку чувствительности производят не в разах (относительных единицах), а в децибелах. В таблице 8 представлена информация о переводе условной чувствительности из относительных единиц в децибелы.

Таблица 8 – Перевод К _у из относительных единиц в децибелы

Чувствительность
В относительных единицах	В децибелах, dB
0,2
0,4
0,5
0,6

5 Безэталонная настройка чувствительности. Аттенюатор

Условную чувствительность зеркально-теневого метода определяют максимальной величиной коэффициента К _у, аналогичного коэффициенту К _д, и представляющего собой минимальное относительное ослабление донного импульса, регистрируемого индикатором дефектоскопа, т.е.

К _у = U _m / U ₀,

где U ₀ – амплитуда донного отражения (первого или второго);

U _m – амплитуда того же донного отражения, но ослабленного до появления сигнала на индикаторе дефектоскопа (U _m< U ₀)

Для настройки условной чувствительности зер­кально-теневого дефектоскопа и проверки ее в процессе работы применяют калиброванный аттенюатор, включаемый на вход приемного тракта дефектоскопа так, как показано на рисунке 66.

В обычном состоянии на вход приемного тракта поступает донный импульс без ослабления, амплитуда которого U ₀. При нажатой любой из кнопок аттенюатора на вход усилителя поступает только определенная часть донного сигнала. Аттенюатор можно установить в такое положение, чтобы донный сигнал на входе усилителя имел амплитуду U _m во столько же раз меньшую, во сколько раз уменьшается амплитуда донного импульса при обнаружении минимального дефекта, подлежащего регистрации. Проверка условной чувствительности проводится путем включения кнопок аттенюатора для ослабления донного сигнала до срабатывания индикатора дефектоскопа. В этом случае шкале аттенюатора можно отсчитать величину ослабления К _у = U_m /U₀донного сигнала, которая должна равняться условной чувствитель­ности дефектоскопа.

Рисунок 66 – Схема устройства для измерения условной чувствительности:

1 – дефектоскоп; 2 – аттенюатор; 3 – переключатель

Такой аттенюа­тор (т.е. имитатор дефек­тов в зеркально-теневом дефекто­скопе) позволяет производить:

· безэталонную настройку дефек­тоскопа на заданную чувствитель­ность;

· проверять условную чувствительность дефектоскопа в процессе его эксплуатации;

· измерять коэффициент выявляемости обнаруженного дефекта и тем самым оценивать его размеры.

1 Для настройки условной чувствительности зеркально-теневого метода не требуется стандартный образец; необходим бездефектный участок рельса, от которого получаем донный сигнал максимальной амплитуды U ₀.

2 Для настройки необходим аттенюатор. При этом амплитуда донного сигнала на бездефектном участке принимается равной U ₀ = 1 и может уменьшиться при наличии дефекта до 0. Условная чувствительность всегда меньше 1, но больше 0 (0 < К _у < 1). При контроле рельсов устанавливают К _у = 0,2 (в децибелах К _у = 14 dB), т.е. индикаторы дефектоскопа сработают, если амплитуда донного сигнала над дефектом уменьшится более, чем в 5 раз.

3 В процессе контроля изделия путем кратковременного нажатия кнопки имитатора дефектов всегда можно проверить правильность его настройки.

4 Выявляемость дефекта тем лучше, чем больше (по абсолютному значению) условная чувствительность. Дефект малого размера обнаруживается при К _у > 0,4; а дефект большого размера при К _у > 0,2.