Фазированная решетка в ультразвуковом дефектоскопе стала настоящим прорывом на рынке исследовательского оборудования, используемого для неразрушающего контроля. Хотя, первые шаги по использованию ультразвуковых волн были сделаны давно, такое применение открыло совершенно новые перспективы. Но прежде чем перейти к самой инновации, вспомним, что же такое неразрушающий контроль и почему он так востребован?
Неразрушающий контроль
Неразрушающий контроль используется повсеместно в разных областях промышленности (машиностроение, кораблестроение, энергетика и т.д.). Его основная задача контроль качества и состояния механических и промышленных узлов, которые влияют на общую работоспособность всей сети и отдельных ее элементов, без нарушения целостности исследуемого элемента.
Основное преимущество неразрушающего контроля – возможность проведения всех исследований с минимальными временными затратами и быстрым получением результатов. При этом, исследования показывают не только наличие коррозии или дефектов материалов, но и толщину переборок, коэффициент их изнашивания и другое.
Для проведения исследований с помощью НК используются различные инструменты и аппаратура. Но с начала 2000-х годов все большую популярность завоевывают ультразвуковые дефектоскопы с фазированной решеткой.
Развитие технологии
Первые шаги в сфере неразрушающего контроля были сделаны более 60-ти лет назад. На волне инновационных открытий физиков, связанных с исследованиями ультразвуковых волн, были выявлены новые возможности аппаратов, созданных на их основе. Больше не нужно было тратить огромные средства на изготовление специальных приборов или размышлять о том, как добраться к труднодоступному узлу, чтобы оценить его состояние. Дефектоскоп с ультразвуковыми волнами легко решил перечисленные задачи: направленный сигнал проникал глубоко в структуру узла и с помощью приемника выводил информацию о его состоянии, наличии дефектов: трещин, коррозии, толщине материала, степени износа и т.д.
Первые шаги на поприще использования ультразвуковых волн были сделаны в медицине. С их помощью была проведена первая ультразвуковая визуализация внутренних органов, которая сегодня стала обыденным исследованием, позволяющим оценить общее состояние организма человека. Также и ультразвуковой дефектоскоп с фазированными решетками позволяет оценить состояние узла или объекта.
Интересен и тот момент, что медицинское УЗИ и сонограммы также в своей технологии использует фазированные решетки. Если быть точнее, то для получения картинки, ультразвуковые волны принимаются несколькими элементами преобразователей, с которых информация передается на специальную аппаратуру, позволяющую нам увидеть готовую картинку.
Живой интерес и быстрое распространение УЗИ аппаратов с фазированными решетками в медицине можно объяснить тем, что состав и структура человеческого тела, тканей и органов организма была известна уже давно. Поэтому особых проблем с расшифровкой готового изображения и внесения основных параметров в программу не было.
Использование в промышленности
Огромное количество материалов, используемых для возведения машинных узлов, прокладывания магистралей труб и их огромный спектр акустического звучания, и эхо-отражения ультразвуковой волны, которую нужно правильно интерпретировать – это создавало массу проблем, но в тоже время вызывало интерес и сулило множество новых возможностей.
Начались полевые испытания, результатом которых стало изобретение первых прототипов приборов с фазированными решетками. Как и множество моделей современной компактной техники, первые испытательные образцы имели колоссальные размеры. Не огромные, но достаточно громоздкие, что создавало определенные проблемы при их испытаниях и последующем использовании.
Первые дефектоскопы (если их можно так назвать) использовались в большинстве своем на атомных и электростанциях. Именно здесь требовалось тщательно проверять состояние промышленных узлов, чтобы не случилось катастрофы.
От стационарных до портативных приборов
Ощутимый прыжок от громоздких аппаратов с ограниченным местом использования произошел в начале 2000-х годов. Именно тогда на рынке оборудования для ультразвукового контроля появились первые портативные ультразвуковые дефектоскопы с технологией фазированных решеток.
Новая цифровая эра, развитие компьютерных технологий и уменьшение размеров оборудования до небольших, компактных приборов с множеством функций привели к созданию современных приборов, которые от первых моделей отличаются не только размерами. Изменилась система управления, появился удобный интерфейс, возможность одновременной обработки нескольких десятков сканов для получения готового результата и другие полезные функции.
Для качественного исследования сегодня не требуется много энергии, десятков людей для проведения контрольных измерений, а затем анализа полученных данных. Специально-обученный оператор и ультразвуковой дефектоскоп на фазированных решетках легко справится с поставленной задачей. К тому же, полученные данные можно быстро импортировать на компьютер, который проведет аналитику полученной информации.
Что такое фазированная решетка
История создания измерительного прибора интересна для новичков и профессионалов. Но если профессиональным оператором понятно, что такое фазированная решетка, то у новичков может возникнуть ряд закономерных вопросов. Поэтому, прежде чем перейти к самой технологии, разберемся с тем, что же собой представляет ФР.
Классический прибор для неразрушающего контроля состоит из одного или нескольких преобразователей, работающих на генерацию ультразвуковой волны и прием обратного эхо-сигнала. ФР же состоит из десятков таких преобразователей. Их число варьируется от 16 до 250 независимо-управляемых элементов. Такое количество «датчиков» обеспечивает высокий уровень чувствительности ФР к полученному сигналу, что, в свою очередь, выступает дополнительной гарантией точности контрольных исследований.
Размещение элементов зависит скорее от модели УЗК и может быть представлено, как линейной или двухмерной матрицей, так и овалом, кольцом или более сложным методом расположения.
Диапазон частот преобразователя может колебаться в пределах от 2 до 10 МГц. Также в конструкцию ФР входит современный УЗК прибор, работающий на базе современного компьютера. Такой комплексный подход позволяет обрабатывать полученные изображения и создавать полноценную картину полученных эхо-сигналов и отображать их в нужной для оператора форме.
Большим преимуществом ультразвуковых дефектоскопов с фазированной решеткой является то, что они могут использовать звуковой луч не только по прямому пути, но и в диапазоне углов преломления, вдоль линейного пути и т.д. Что открывает новые перспективы для глубокого и точного анализа состояния основных промышленных узлов.
Принцип действия технологии ФР
Становление новой эры исследовательских УЗК приборов, как и любой технологический процесс, осуществлялся в несколько этапов. Первым шагом на пути использования УЗК дефектоскопов стали модели с ПЭП преобразователями. Они были представлены несколькими вариациями:
- Модели ПЭП с одним пьезокристаллом. Особенность таких приборов с пьезоэлектрическими преобразователями заключалась в том, что генерация волны и получение сигнала осуществлялось одним и тем же пьезокристаллом.
- Модели ПЭП с раздельно-совмещенными преобразователями. Отличаются от предыдущих вариаций наличием нескольких преобразователей, один из которых генерирует ультразвуковую волну, а второй принимает эхо-сигнал и на его формирует А-скан.
- Системы, использующие два одноэлементных преобразователя.
Современные ПЭП аппараты комплектуются матрицами, насчитывающими до 32 групп элементов. Во время исследования каждая группа элементов посылает импульс с небольшой задержкой (программируется в зависимости от вида материала, его толщины и других показателей). Такое оборудование используется с призмами разных типов и форм, как при иммерсионном (жидкостном), так и при контактном контроле. Дефектоскопы на ФАР работают в диапазоне частот от 1 до 10 МГц.
Ознакомиться с продукцией компании “MCsystems” можно в разделе продукции, там также имеются современные модели дефектоскопов с фазированной решеткой.
Основные параметры ФР-преобразователей
Современный ФР преобразователи в большинстве своем изготавливаются из пьезокомпозитов. Пьезокомпозиты состоят из множества тонких элементов – пьезоэлектрической керамики, входящих в состав матрицы из полимера. Сегментное металлическое покрытие обеспечивает электрическое разделение элементов с целью их возбуждения независимо друг от друга. Этот сегментированный элемент вставляется в преобразователь с защитным слоем. В конструкцию преобразователя также входит демпфирующий материал, соединители кабеля и корпус.
ФР-преобразователи имеют такие технические показатели:
- Частота. Наиболее часто контрольные исследования проходят в диапазоне ультразвука от 2 до 10 МГц. Поэтому большинство моделей соответствует стандарту. Но, также выпускаются специализированные варианты с более высоким или низким диапазоном.
- Количество чувствительных элементов. Стандарт – от 16 до 128 штук. Некоторые модели комплектуют 256 элементами. Чем их больше, тем чувствительнее будет прием эхосигнала, лучше характеристики фокусировки и управляемости луча. Минус – чем больше количество элементов, тем дороже конечная стоимость оборудования.
- Размер элементов. Чем меньше встроенный элемент, тем точнее возможность управления лучом. Но, для охвата контрольного исследования больших территорий потребуется дорогой преобразователь.
Преимущества технологии фазированных решеток
Ультразвуковые дефектоскопы с фазированными решетками имеют широкую сферу применения. Наиболее часто их используют для проверки качества сварных швов и выявления всевозможных трещин в труднодоступных узлах и трубопроводах. Большую востребованность технология получила в таких сферах:
- аэрокосмическая отрасль;
- энергосистемы;
- производство металлических узлов;
- нефтяная промышленность;
- машиностроение;
- тепловые сети и другое.
Главные преимущества метода:
- исследование не требует громоздкого оборудования. Современные ультразвуковые дефектоскопы на фазированных решетках достаточно компактный и с помощью направленного луча позволяют исследовать нужный объект без дополнительных усилий. Так, управление ультразвуковым лучом и его фокусировка на заданном объекте осуществляется с помощью всего одного преобразователя с множеством встроенных элементов. Особенно актуально это для объектов со сложной геометрией, когда нужно получить точную картину объекта.
- компактные размеры. Пьезоэлектрические преобразователи имеет небольшую поверхность и не требует регулярного перемещения. Такой подход обеспечивает возможность быстрого и точного контрольного исследования выбранного объекта.
- регулируемый угол преломления ультразвукового луча открывает широкие возможности для исследования объектов со сложной геометрической формой и картографирования. Несколько опциональных настроек и точная карта или результат исследования объекта уже на компьютере оператора.
- электронная фокусировка. Она оптимизирует размер луча и его форму в нужной точке исследования. Также предусмотрена возможность фокусировки луча по глубине, за счет чего повышается точность замера габаритов возможного дефекта.
Как и любая технология, фазированные решетки имеют помимо преимуществ и недостатки:
- относительно высокая стоимость оборудования. Технология и оборудование находятся в процессе разработки. Они совершенствуются и улучшаются. К тому же, инновационность технологии также имеет определенное влияние на ценообразование приборов;
- необходимость в квалифицированном опреаторе. Многие системы неразрушающего контроля не требуют специальных знаний и навыков для проведения исследований. Простой интерфейс и удобные опции максимально упростили процесс контрольных исследований. Технология фазированных решеток исключения из правил. Здесь требуется не только точность настройки оборудования, но и определенные знания для точного управления лучом. В противном случае, полученные данные не принесут нужной информации.
Обучение оператора, также, как и само оборудование, требует времени и финансовых затрат. Производители приборов с технологией фазированных решеток предоставляют курс обучения.
Выводы
Технология фазированных решеток – современный метод неразрушающего контроля, который помогает выявлять дефекты в труднодоступных местах узлов с любой геометрией. Приборы и опции технологии совершенствуются постоянно. Обобщая, сказанное в статье:
- особенность метода заключается в электронном способе управления лучом в объекте контроля. Остальные операции опираются на известные методы неразрушающего контроля с использованием вычислительного оборудования;
- четкой формы преобразователя нет, он может иметь практически любой размер и геометрическую форму. Главным и неизменным остается одно – наличие элемента/элементов для преобразования ультразвукового сигнала, который подбирается индивидуально под заданные условия исследования;
- несмотря на то что технология фазированных решеток позволяет получать точные результаты исследований, она, как и любой другой метод не является непревзойденным совершенством. Некоторые технические параметры и дополнительные опции могут в значительной мере влиять на конечный результат.
Технология ФР развивается и дорабатывается. Поэтому, вполне вероятно, что через несколько лет на рынке появятся еще более компактные приборы, которые не будут требовать специальных знаний и навыков для управления.