Область применения
УЗ толщинометрия и дефектоскопия при температурах превышающих 50° С или 125° F.
Введение (предисловие)
Хотя обычно УЗ толщинометрия и дефектоскопия проводятся при нормальной температуре окружающей среды, часто возникают ситуации, когда необходимо провести контроль горячих изделий или заготовок.
В производственном процессе часто возникают случаи, когда металлические трубки или емкости должны быть проконтролированы в горячем состоянии без принятия мер по их охлаждению, также встречаются ситуации, когда необходимо проверить сразу после изготовления такие горячие материалы, как горячекатанные пластиковые трубки или горячеформованные пластиковые изделия, или случаи контроля металлического литья перед их полным охлаждением. Стандартные ультразвуковые преобразователи (ПЭП) способны выдержать температуру приблизительно до 50° C или 125° F. При более высоких температурах, они, в конечном счете, выйдут из строя по причине внутреннего разрушения, вызванного термическим расширением. Если температура контролируемого материала превышает 50° C или 125° F, то необходимо применять высокотемпературные ПЭП и специальное контрольное оборудование.
Предлагаемые сведения содержат краткую информацию по выбору высокотемпературных ПЭП и материалов для обеспечения акустического контакта, а также важные замечания по их использованию. Это расширяет температурные возможности УЗ контроля материалов приблизительно до 500°C или 1000°F. В научно-исследовательских работах, использующих температуры еще выше ранее указанной, применяются специальные волноводные методы, выходящие за пределы данного рассмотрения.
1. ПЭП
Высокотемпературные ПЭП Olympus (Panametrics-NDT) подразделяются на две категории: раздельносовмещенные и с линией задержки. В обоих случаях материал линии задержки (который находится внутри раздельносовмещенного ПЭП) служит термоизоляцией между пьезоэлементом ПЭП и горячей поверхностью контролируемого объекта. В связи с особенностями разработки контактные и иммерсионные преобразователи в стандартном ряду высокотемпературных ПЭП отсутствуют. Высокотемпературные раздельносовмещенные ПЭП и ПЭП с линией задержки пригодны как для УЗ тощинометрии, так и для УЗ дефектоскопии. Как и для всех видов УЗ контроля, выбор наиболее подходящего ПЭП определяется специальными требованиями на контроль, включающими свойства контролируемого материала, диапазон контролируемых толщин, температура контролируемого объекта, а в случае УЗ дефектоскопии — тип и размер дефектов, которые должны быть выявлены при контроле.
(а) УЗ толщинометрия
Наиболее часто высокотемпературная УЗ толщинометрия находит свое применение при исследовании коррозионной стойкости материалов, измерении остаточной толщины на горячих трубах и резервуарах с использованием таких приборов, как модель 38DL и серия 45MG. Большинство ПЭП, разработанных Olympus (Panametrics-NDT) для исследования коррозионной стойкости пригодны для работы в высокотемпературных условиях. Обычно используются ПЭП серии D790, которые могут применяться на горячих поверхностях с температурой порядка 500°C или 930°F.
Для точных высокотемпературных измерений толщины по таким материалам как, например, горячий пластик, применяются толщиномеры серии 25, в то же время любой ПЭП из серии M200 (M202, M206, M207, и M208) исполнения Microscan с линией задержки может быть оснащен высокотемпературной линией задержки. Линии задержки DLHT-1, -2, и -3 могут быть использованы на поверхностях с температурой вплоть до 260°C или 500°F. Линии задержки DLHT-101, -201, и -301 могут быть использованы на поверхностях с температурой вплоть до 175°C или 350°F.
Для повышения проникающей способности УЗ колебаний (глубины прозвучивания) используются низкочастотные ПЭП. Для таких случаев могут применяться УЗ толщиномеры серии 25 в комплекте с ПЭП исполнения Videoscan, имеющими сменный протектор и соответствующую высокотемпературную линию задержки. Стандартные линии задержки этого семейства ПЭП могут использоваться для контакта с поверхностью, имеющей температуру порядка 480°C или 900°F.
(б) УЗ дефектоскопия
Как и в УЗ толщинометрии, в высокотемпературной дефектоскопии используются обычно раздельносовмещенные ПЭП или ПЭП с линией задержки. Все раздельносовмещенные ПЭП Olympus (Panametrics-NDT) обладают способностью к работе при высоких температурах. Раздельносовмещенные ПЭП типа пальчиковых, ПЭП с корпусом заподлицо с пьезопластиной (имеют индикатор износа протектора) и ПЭП расширенного диапазона, частота которых составляет 5 МГц и ниже могут быть использованы при температуре порядка 425°C или 800°F, а высокочастотные ПЭП (7,5 МГц и 10 МГц) могут быть использованы при температуре порядка 175°C или 350°F.
В УЗ дефектоскопии могут быть использованы все ПЭП исполнения Videoscan, имеющие сменный протектор и соответствующую высокотемпературную линию задержки. Линии задержки этого семейства ПЭП могут использоваться для контакта с поверхностью, имеющей температуру порядка 480°C или 900°F.
Контроль тонких материалов часто наилучшим образом обеспечивается применением ПЭП серии V200 с линией задержки (это обычно ПЭП V202, V206, V207 и V208), некоторые из них могут быть оснащены высокотемпературными линиями задержки. Линии задержки DLHT-1, -2, и -3 могут быть использованы на поверхностях с температурой вплоть до 260°C или 500°F. Линии задержки DLHT-101, -201, и -301 могут быть использованы на поверхностях с температурой вплоть до 175°C или 350°F.
2. Материалы для обеспечения акустического контакта (контактная среда)
Обычно используемая контактная среда такая, как пропилен-гликоль, глицерин и специальные гели будут быстро испаряться, если применять их на поверхностях с температурой выше 100°С или 200°F. Таким образом, УЗ контроль при высоких температурах требует применения специально приготовленных веществ, которые будут во все время контроля оставаться в стабильном жидком или пастообразном состоянии без кипения, горения или выделения токсичных испарений. Очень важно знать температурный диапазон их применения и использовать эти вещества только в этом диапазоне. Неэффективное использование УЗ контроля и\или неоправданный риск могут быть результатом применения контактных веществ за пределами этого диапазона.
Даже специально изготовленные высокотемпературные контактные вещества должны быть быстро использованы до тех пор, пока они не затвердели или не засохли, а также не более времени излучения УЗ энергии. Остатки затвердевшего контактного вещества должны быть удалены с контролируемой поверхности и с поверхности ПЭП перед каждым следующим контролем.
Необходимо заметить, что акустическая связь для возбуждения нормально падающих сдвиговых волн обычно нереализуема при повышенных температурах потому, что промышленные контактные вещества для возбуждения подобных волн будут становиться более жидкими и текучими, теряя высокую вязкость, необходимую для передачи сдвиговых волн.
Мы предлагаем два типа высокотемпературных контактных веществ:
Couplant H – Высокотемпературный
Рекомендуется для применения в диапазоне температур 500° …. 1000°F (260° … 540°C).
Couplant I – Среднетемпературный
Рекомендуется для применения в диапазоне температур до 600° F (315° C).
3. Оборудование для контроля
Следующие факторы всегда будут присутствовать при рассмотрении вопросов по определению процедур контроля в условиях высоких температур:
Рабочий режим
Все стандартные высокотемпературные ПЭП разрабатываются с точки зрения их применения в рабочем режиме.
Хотя линия задержки и является термоизолятором для внутреннего строения ПЭП, длительный контакт его с сильно нагретой поверхностью приводит к повышению нагрева и, в конечном счете, имеет место постоянно действующее разрушительное воздействие на ПЭП, если при этом также становится достаточной температура внутреннего нагрева. Для большинства раздельносовмещенных ПЭП и ПЭП с линией задержки поддерживать контакт в рабочем режиме с поверхностью, имеющей температуру в диапазоне порядка 90° C … 425° C (от 200° F до 800° F), рекомендуется в течение не более 10 с (наиболее приемлемое время контакта 5 с) с последующим охлаждением на воздухе в течение одной минуты. Необходимо заметить, что это лишь рекомендация, на практике соотношение времени контакта и времени охлаждения становится наиболее критичным в конце температурного диапазона для каждого конкретного ПЭП.
Как правило, если наружная поверхность ПЭП (корпус) также нагревается, приводя к повышению внутренней температуры до значений, могущих привести к разрушению ПЭП, то для комфортабельной ручной работы ПЭП перед следующим контролем должен быть охлажден. Некоторые пользователи для ускорения процесса охлаждения ПЭП применяют водное охлаждение, однако Olympus (Panametrics-NDT) опубликованы неофициальные принципы применения водного охлаждения и их применимость должна быть определена конкретным пользователем.
УЗ дефектоскопы серии Epoch и толщиномеры типа 38DL и 45MG имеют функцию замораживания, которая может быть использована для экранного сохранения формы УЗ волны и ее описание. Функция замораживания отображаемой на экране информации очень полезна при высокотемпературных исследованиях, так как позволяет оператору или дефектоскописту «захватывать» результаты и условия контроля и быстро перемещать ПЭП по нагретой поверхности. Безинерционный экран монитора позволяет минимизировать время контакта с горячей поверхностью.
Технология создания акустического контакта: Сочетание требований по выполнению условий рабочего режима ПЭП и склонности контактного вещества к затвердеванию или кипению в верхней части рабочего диапазона температур требует от оператора быстрой и четкой работы. В этом отношении многие пользователи нашли наилучший способ, который заключается в нанесении капли контактного вещества на протектор ПЭП с последующим плотным прижатием ПЭП к поверхности контролируемого объекта. Чтобы уменьшить износ ПЭП контакт должен быть неподвижным (без вращения и трения). Любые высохшие остатки контактного вещества должны удаляться с ПЭП перед каждым измерением.
Функция усиления: Толщиномеры 38DL и 45MG имеют функцию усиления, как сделано в дефектоскопах Epoch. В условиях повышенного уровня затухания УЗ колебаний при высокотемпературных исследованиях эта функция часто бывает полезной для увеличения чувствительности (путем подъема усиления) перед измерениями.
Изменение скорости звука: Для всех материалов скорость звука зависит от температуры и при повышении последней скорость уменьшается. Точные измерения толщины нагретых объектов всегда требует частой калибровки толщиномера по скорости звука. Например, в стали изменение скорости звука составляет приблизительно 1% на каждые 55°C или 100°F изменения температуры (величина изменения скорости зависит также от вида сплава). В пластиках и других полимерных материалах это изменение скорости еще более значительно и может достигать 50% на каждые 55°C или 100°F изменения температуры вплоть до точки плавления. Если отсутствует градуировочный график зависимости скорости звука от температуры, то калибровку можно провести по контрольному образцу контролируемого материала с известной толщиной при температуре контроля.
Калибровка нулевого (начального) смещения: При измерении толщины раздельносовмещенным ПЭП необходимо помнить, что величина компенсации (нулевое смещение) изменяется при повышении температуры нагрева из-за изменения при этом времени распространения звука в линии задержки. Таким образом, чтобы получить точные измерения, необходимо периодически проводить калибровку нулевого смещения. При работе с приборами Olympus (Panametrics-NDT) для оценки корродированного состояния материала такими, как 38DL и 45MG это можно легко и быстро сделать, используя встроенную автоматическую функцию калибровки простым нажатием клавиши ZERO.
Увеличение затухания: Затухание звука во всех материалах увеличивается с повышением температуры и наиболее этот эффект заметен для пластиков по сравнению с металлами и керамикой. В обычных мелкозернистых углеродистых сталях затухание (ослабление звука) УЗ колебаний на частоте 5 МГц при комнатной температуре составляет порядка 2 дБ на каждые 100 мм пути распространения в прямом направлении (эквивалентно распространению звука в пластине толщиной 50 мм в прямом и обратном направлениях). При 500°C или 930°F затухание увеличивается приблизительно до 15 дБ на каждые 100 мм пути. Этот эффект может потребовать использования значительного усиления, особенно при наличии высоких температур и длительного распространения звука (при прозвучивании толстостенных объектов).
Также может потребоваться включение и настройка кривой расстояние-амплитуда DAC или функции ВРЧ (временная регулировка чувствительности или усиления), которые устанавливаются при комнатной температуре. Эффект зависимости затухания УЗ колебаний от температуры очень ярко проявляется для полимеров и сила проявления этого эффекта зависит от состава контролируемого материала. При этом величина затухания в полимерах обычно в несколько раз выше, чем в стали. В частности, длинные высокотемпературные линии задержки ПЭП при нагреве могут представлять значительный фактор в суммарном ослаблении УЗ в контролируемом объекте.
Изменение угла ввода УЗ в призмах: При нагревании высокотемпературных призм скорость звука в материале призмы уменьшается и при этом увеличивается угол преломления в металле. В случае производственной необходимости угол преломления должен быть установлен при конкретной действующей температуре. На практике в условиях изменения температуры контролируемого объекта точное определение угла преломления является весьма трудной задачей.
