РОЗДІЛ 2
РОЗРОБКА ЗНОСОСТІЙКИХ АКУСТИЧНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ
ДЛЯ БЕЗКОНТАКТНОГО ВВОДУ УЛЬТРАЗВУКОВИХ КОЛИВАНЬ
В МАТЕРІАЛ ОБ'ЄКТУ КОНТРОЛЮ
2.1. Методи безконтактного вводу та прийому акустичних коливань.
Переваги та недоліки ЕМА-перетворювачів
Відомі декілька способів збудження ультразвукових коливань в об'єкті контролю, зокрема - в трубних виробах. Найбільш розповсюдженим на сучасному етапі є спосіб з використанням пластин, що мають яскраво виражені п'єзоелектричні властивості. Такі пластини здатні як генерувати, так і приймати механічні коливання в межах частот від сотень кілогерц до десятків мегагерц. Такий спосіб поряд з цілим рядом переваг, як то висока потужність, високий коефіцієнт перетворення енергії та хороша чутливість, мають й ряд серйозних недоліків. Один з таких недоліків - необхідність дотримання жорстких вимог до якості акустичного контакту між поверхнями п'єзопластини й об'єкту контролю. Інший - складність реалізації контролю за умов підвищених або понижених температури та тиску.
Серед досліджень, спрямованих на створення акустичної апаратури неруйнівного контролю, особливе місце займає пошук безконтактних методів збудження й реєстрації ультразвуку в твердих тілах. Під безконтактними слід розуміти методи, що дозволяють збуджувати й реєструвати пружні хвилі в виробі, що контролюється, без акустичного зв'язку між перетворювачами та об'єктом контролю.
На сьогоднішній день відомі наступні методи безконтактного збудження та реєстрації пружніх хвиль в твердих тілах [120]:
1) електромагніто-акустичний (ЕМА);
2) збудження пружніх хвиль за допомогою променя імпульсного лазера;
3) збудження пружніх хвиль імпульсними потоками прискорених електронів;
4) використання повітряного зв'язку між перетворювачем та об'єктом контролю;
5) ємнісний.
В умовах підприємств нафтогазової галузі найбільший інтерес викликає використання електромагніто-акустичного методу безконтактного збудження та прийому акустичних коливань, як такого, що є достатньо добре теоретично та практично опрацьованим та легко реалізується шляхом удосконалення існуючих технічних засобів для неруйнівного контролю елементів нафтогазового обладнання та інструменту.
У порівнянні з п'єзоелектричним методом збудження та прийому акустичних коливань електромагніто-акустичний метод має наступні переваги:
- можливість генерування хвиль будь-якого типу (поздовжніх, поперечних (зсувових) з довільною поляризацією, поверхневих (Релеєвських), хвиль Лемба і т.д.);
- можливість генерування акустичних коливань, що розповсюджуються під будь-яким заданим кутом до поверхні контролю;
- можливість контролю та зміни кута напрямку розповсюдження акустичних коливань (акустичне сканування) шляхом плавної зміни частоти прикладених електричних коливань по відношенню до робочої частоти перетворювача;
- можливість безконтактного генерування та прийому акустичної хвилі в матеріалі контролю;
- ЕМА-перетворювачі можуть генерувати та приймати акустичні коливання в об'єкті контролю через проміжний шар (наприклад, через бітумну ізоляцію стінок труб нафтопроводів);
- хороша повторюваність метрологічних характеристик однотипних ЕМА-перетворювачів;
- ЕМА-перетворювачі слабо чутливі до якості обробки зовнішньої поверхні об'єкту контролю.
В той же час у порівнянні з п'єзоелектричним методом збудження та прийому акустичних коливань ЕМА-метод також має й ряд недоліків, серед яких:
- порівняно низька чутливість;
- наявність в зоні контролю елементів конструкції ЕМА-перетворювача (котушки), які можуть бути пошкоджені при переміщені перетворювача вздовж поверхні контролю.
Як показано в [123]:
1. ЕМАП є пристроєм, який забезпечує кращу чутливість до ряду природних дефектів, ніж ПЕП.
2. Напрямок звукового пучка, що створюється за допомогою ЕМАП, слабо залежить від нахилу перетворювача відносно ОК.
3. ЕМАП дозволяє уникнути всіх проблем, пов'язаних з контактною рідиною.
4. ЕМАП значно менше, ніж ПЕП, реагує на шорсткість, забруднення поверхні, однак, при його використанні в суміщеному режимі необхідно виключити попадання кусочків окалини, що відшаровується, в простір між ЕМАП та ОК.
Глибокий аналіз можливостей ЕМА-перетворювачів поздовжніх та поперечних хвиль при їх взаємодії з штучним дефектом (торцеве плоскодонне сверління) в зразку обмежених розмірів провід К. Кавашима [115, 116]. При розшифровуванні осцилограм враховувались трансформації хвиль на границі зразка. Встановлено, що в феромагнітному матеріалі ефективність збудження зсувових коливань значно вища, ніж поздовжніх. Автор пов'язує це з ефектом магнітострикції. Що ж стосується чутливості імпульсного луно-методу з використанням ЕМА-перетворювачів, то, на думку автора, вона не поступається чутливості цього ж методу з використанням звичайних п'єзоелектричних перетворювачів. По меншій мірі, співвідношення сигнал/шум при індикуванні штучного дефекту у вигляді плоскодонного свердлення діаметром 1,3 мм практично однакове.
Використання роздільного режиму роботи ЕМАП, зокрема, при реалізації луно-наскрізного методу контролю, дозволяє повністю виключити вплив окалини, що відшаровується, на завадостійкість ультразвукового контролю.
Суть ЕМА-методу збудження та прийому акустичних коливань полягає в наступному [111].
Електромагніто-акустичний перетворювач, що являє собою конструкцію з потужнього постійного магніта (або електромагніта, що працює в імпульсному режимі) та високочастотних генераторної та приймальної котушок, розміщених в щілині між поверхнею об'єкту контролю та магнітом. Постійний магніт, розташований на віддалі 0,3 - 1,0 мм від поверхні контролюємого виробу створює в щілині сильний магнітний потік з індукцією, порядка одиниць тесла. На генераторну котушку в імпульсному режимі подають електричні коливання високої частоти, що створюють навколо котушки змінне магнітне поле, яке в свою чергу індукує вихреві струми в підповерхневому шарі виробу. Знаходячись в сильному напрямленому постійному магнітному полі вихреві струми зазнають дії сили Лоренца, що намага
- Київ+380960830922