Теоретические основы УЗК

Cлайды, которые теоретически могут помочь сдать общий экзамен на 1-2 уровень по ультразвуковому контролю.

Сокращения:
НК - неразрушающий контроль
ОК - объект контроля

Термины и определения:

Качество продукции - совокупность свойств продукции, обуславливающих ее способность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением
Контроль (технический контроль) - проверка соответствия объекта установленным техническим требованиям
Вид контроля - классификационная группировка контроля по определенному признаку
Метод контроля - правила применения определенных принципов и средств контроля
Метод неразрушающего контроля (НК) - метод контроля, при котором не должна быть нарушена пригодность объекта к применению
Система контроля - совокупность средств контроля, исполнителей и определенных объектов контроля, взаимодействующих по правилам, установленным соответствующей нормативной документацией
Средство контроля - техническое устройство, вещество и (или) материал для проведения контроля
Контролепригодность - свойство изделия, обеспечивающее возможность, удобство и надежность его контроля при изготовлении, испытаниях, техническом обслуживании и ремонте

Входной контроль - контроль продукции поставщика, поступившей к потребителю или заказчику, и предназначенный для использовании при изготовлении, ремонте или эксплуатации продукции
Операционный контроль - контроль продукции или процесса во время выполнения или после завершения технологической операции
Приемочный контроль - контроль продукции, по результатам которого принимается решение о ее пригодности к поставкам и (или) использованию

Дефект - каждое отдельное несоответствие объекта установленным требованиям (ГОСТ 15467-79)
Несплошность - нарушение однородности материала, вызывающее скачкообразное изменение одной или нескольких его физических характеристик (плотности, магнитной проницаемости, скорости звука, волнового сопротивления и проч.)
Дефектное изделие - изделие, имеющее хотя бы один дефект
Критический дефект - дефект, при наличии которого использование продукции по назначению практически невозможно или недопустимо
Значительный дефект - дефект, который существенно влияет на использование продукции по назначению и (или) на ее долговечность, но не является критическим
Малозначительный дефект - дефект, который существенно не влияет на использование продукции по назначению и ее долговечность

Достоверность контроля - характеристика (качественная или количественная) контроля, показывающая на основе предварительно установленных критериев близость к ситуации, исключающей как перебраковку, так и недобраковку
Перебраковка - отсутствие дефектов хотя бы в одном из забракованных по результатам контроля объектов
Недобраковка - наличие дефекта хотя бы в одном из объектов, признанных годными по результатам контроля

Как известно из ГОСТ 18353-79, существуют 9 видов НК:
1. Магнитный - вид НК, основанный на анализе взаимодействия магнитного поля с ОК)
2. Электрический- вид НК, основанный на регистрации параметров электрического поля, взаимодействующего с ОК или возникающего в ОК в результате внешнего воздействия
3. Вихретоковый - вид НК, основанный на анализе взаимодействия электромагнитного поля вихретокового преобразователя с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в ОК
4. Радиоволновой - вид НК, основанный на регистрации изменений параметров электромагнитных волн радиодиапазона, взаимодействующих с ОК
5. Тепловой - вид НК, основанный на регистрации изменений тепловых или температурных полей ОК, вызванных дефектами
6. Оптический - вид НК, основанный на регистрации параметров оптического излучения, взаимодействующего с ОК
7. Радиационный - вид НК, основанный на регистрации и анализе проникающего ионизирующего излучения после взаимодействия с ОК
8. Акустический - вид неразрушающего контроля, основанный на регистрации параметров упругих волн, возбуждаемых и (или) возникающих в ОК
9. Проникающими веществами (капиллярный и течеисканием) - вид неразрушающего контроля, основанный на проникновении веществ в полости дефектов ОК

Методы каждого вида НК классифицируются по следующим признакам:
• характеру взаимодействия физических полей или вещества с ОК;
• первичным информативным параметрам;
• способам получения первичной информации.

Классификация методов в соответствии с ПБ 03-440-02 немного отличается.
«Правила аттестации персонала в области неразрушающего контроля» ПБ 03-440-02 устанавливают порядок аттестации персонала, выполняющего НК технических устройств, зданий и сооружений на опасных производственных объектах. Аттестация персонала в области НК проводится в целях подтверждения достаточности теоретической и практической подготовки, опыта, компетентности специалиста, т.е. его профессиональных знаний, навыков, мастерства и предоставления права на выполнение работ по одному или нескольким видам (методам) НК. Специалисты НК в зависимости от их подготовки и производственного опыта аттестуются по трем уровням профессиональной квалификации – I, II, III.
Аттестации подлежит персонал, проводящий контроль объектов с применением следующих видов (методов) НК:
1. Радиационный РК (RT)
1.1. Рентгенографический
1.2. Гаммаграфический
1.3. Радиоскопический
2. Ультразвуковой УК (UT)
2.1. Ультразвуковая дефектоскопия
2.2. Ультразвуковая толщинометрия
3. Акустико-эмиссионный АЭ (AT)
4. Магнитный МК (MT)
4.1. Магнитопорошковый
4.2. Магнитографический
4.3. Феррозондовый
4.4. Эффект Холла
4.5. Магнитной памяти металла
5. Вихретоковый ВК (ET)
6. Проникающими веществами
6.1. Капиллярный
6.2. Течеискание
7. Вибродиагностический ВД
8. Электрический ЭК
9. Тепловой ТК
10. Оптический ОК
11. Визуальный и измерительный ВИК (VT)
12. Контроль напряженно-деформированного состояния НДС
12.1. Радиационный
12.2. Ультразвуковой
12.3. Магнитный
12.4. Вихретоковый

Кандидат, претендующий на прохождение аттестации на один из трех уровней квалификации, аттестуется по конкретным методам НК. Областью аттестации каждого кандидата является сфера его деятельности по контролю конкретных объектов:
1. Объекты котлонадзора
2. Системы газоснабжения (газораспределения):
3. Подъемные сооружения
4. Объекты горнорудной промышленности
5. Объекты угольной промышленности
6. Оборудование нефтяной и газовой промышленности
7. Оборудование металлургической промышленности
8. Оборудование взрывопожароопасных и химически опасных производств
9. Объекты железнодорожного транспорта
10. Объекты хранения и переработки зерна
11. Здания и сооружения (строительные объекты)
12. Оборудование электроэнергетики

Теперь перейдем к определениям из раздела "Колебания и волны".
Колебание - движение вокруг некоторого среднего положения, обладающее повторяемостью во времени
Волна - колебательные движения, распространяющиеся в пространстве: колебания одной точки среды передаются соседней и так далее
В акустике рассматривают упругие колебания и волны, в других видах неразрушающего контроля используются электромагнитные колебания и волны.
Упругость - свойство точек среды возвращаться к первоначальному состоянию после прекращения воздействия силы

Колебания характеризуются частотой и амплитудой.
Частота - количество периодов (циклов) колебаний в единицу времени (обычно секунду)
Колебания от точки к точке среды передаются с определенной скоростью – скоростью распространения звука.
Длина волны - минимальное расстояние между двумя точками, колеблющимися в одной фазе

Скорость звука во многих металлах около 6000 м/с. При частоте 6 МГц длина волны равна 1 мм. При ультразвуковом контроле металлов обычно используют волны длиной от 0,06 до 12 мм.
Амплитуда - наибольшее отклонение от положения равновесия
В ультразвуковом контроле обычно измеряют ослабление амплитуды A' относительно возбужденных в объекте контроля колебаний Aо. Для этого применяют логарифмические единицы – децибелы (дБ).
Т.к. A'<Ao, то децибелы будут отрицательными, однако в ультразвуковой дефектоскопии знак "-" принято опускать.

В акустике рассматриваются изотропные среды.
Изотропия - независимость физических свойств среды от направления в ней. Среды, в которых свойства зависят от направления, называют анизотропными.

Ультразвуковая волна - процесс распространения упругих колебаний ультразвуковой частоты в материальной среде
Луч - направление, в котором распространяется максимум энергии волнового процесса
Фронт - совокупность точек, колеблющихся в одной фазе, до которых в заданный момент дошел волновой процесс
Диапазон частот упругих колебаний

Объемные волны

Продольная волна существует а твердых телах, жидкостях и газах.
Колебательное движение отдельных частиц происходит в том же направлении, в котором распространяется волна.

Поперечные волны существуют только в твердом теле.
Отдельные частицы колеблются в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны.

Поперечные волны подразделяются на горизонтально поляризованные SH и вертикально поляризованные SV. При контроле наклонным ПЭП используется SV поляризованная поперечная волна.

Поверхностные волны
Поверхностная волна (Рэлея)
- комбинация продольных и поперечных волн
- распространяется вдоль свободной границы твердого тела
- частицы совершают колебания по эллипсам
- волна распространяется на большие расстояния
- быстро затухает с глубиной
Головная волна
- скорость практически равна скорости продольной волны
- при распространении вдоль поверхности в каждой точке порождает поперечную волну под углом к нормали
- волна быстро ослабляется

Волны в ограниченных твердых телах
1. Волны в пластине (волны Лэмба)
2. Волны в стержнях (волны Похгаммера)
Скорость распространения зависит от:
- частоты (явление дисперсии скорости)
- упругих свойств материала
- поперечных размеров пластины или стержня
Характерны две скорости распространения:
- фазовая - скорость изменения фазы в направлении распространения
- групповая - скорость распространения энергии при передаче импульса


Закон Снеллиуса (синусов)
Направление отраженных и преломленных, продольных и поперечных волн определяется законом синусов (законом Снеллиуса).
Для всех волн отношение синуса угла (между направлением волны и нормалью к поверхности раздела) к скорости волны будет постоянной величиной.

1-й критический угол
наименьший угол падения продольной волны, при котором преломленная продольная волна не будет проникать во вторую среду (возникновение головной волны)

2-й критический угол
наименьший угол падения продольной волны, при котором преломленная поперечная волна не будет проникать во вторую среду (появление поверхностной волны Рэлея)

3-й критический угол
наименьший угол падения поперечной волны, при котором еще отсутствует отраженная продольная волна

Ультразвуковое поле
Пьезопластину представляем состоящей из большого количества элементарных излучателей.
В непосредственной близости ультразвук распространяется в виде параллельного пучка лучей (прожекторная зона).
Расстояния от разных излучателей до некоторой точки B могут сильно отличаться. Соответственно, отличаются и фазы приходящих сигналов. При совпадении фазы амплитуда увеличивается, если фазы противоположны – амплитуда уменьшается.
Появляются максимумы и минимумы амплитуды. Энергия находится в пределах нерасходящегося пучка. Эта область называется ближней зоной, ближнем полем или зоной Френеля.
В ближней зоне сложно определить максимумы амплитуд эхосигналов от отражателей, вследствие чего можно ошибиться в оценке их размеров, количестве и координат.
Например, в середине ближней зоны поле имеет минимум на оси преобразователя, а в стороне – максимумы. При обнаружении одной несплошности можно решить, что найдено две, расположенные по сторонам от истинного положения несплошности.
В дальней зоне появление максимумов и минимумов под влиянием разности фаз приходящих волн происходит только когда точка находится в стороне от оси преобразователя.
Основная часть поля имеет вид расходящихся конусом лучей из центра преобразователя.
Максимум амплитуды соответствует оси преобразователя. С увеличением угла между направлением какого-либо луча и осью амплитуда уменьшается. За пределами некоторого угла (угла раскрытия) излучение почти не чувствуется. Угол раскрытия определяет направленность излучения.

a – радиус круглого пьезоэлемента;
α - угол ввода;
β - угол призмы;
λ – длина волны;
- угол раскрытия по уровню (-20) дБ
n – коэффициент, равный 0,45 для круглой и 0,38 для прямоугольной пьезопластины